Dispersionsprisma - Dispersive prism

Fotografie eines dreieckigen Prismas, das Licht streut
Lampen durch ein Prisma gesehen

In der Optik ist ein dispersives Prisma ein optisches Prisma , das normalerweise die Form eines geometrischen Dreiecksprismas hat und als spektroskopisches Bauteil verwendet wird. Die spektrale Dispersion ist die bekannteste Eigenschaft optischer Prismen, wenn auch nicht der häufigste Verwendungszweck optischer Prismen in der Praxis. Dreieckige Prismen werden verwendet, um Licht zu zerstreuen , das heißt, Licht in seine spektralen Komponenten (die Farben des Regenbogens ) zu zerlegen . Verschiedene Wellenlängen (Farben) des Lichts werden durch das Prisma in verschiedenen Winkeln abgelenkt, wodurch ein Spektrum auf einem Detektor erzeugt (oder durch ein Okular gesehen) wird. Dies liegt daran, dass der Brechungsindex des Prismasmaterials (oft, aber nicht immer ein Glas) mit der Wellenlänge variiert. Durch Anwendung des Snell-Gesetzes kann man sehen, dass sich der Ablenkwinkel eines Lichtstrahls ändert, wenn sich die Wellenlänge ändert und sich der Brechungsindex ändert, wodurch die Farben (Wellenlängenkomponenten) des Lichts räumlich getrennt werden. Im Allgemeinen unterliegen längere Wellenlängen (rot) dabei einer kleineren Abweichung als kürzere Wellenlängen (blau), bei denen der Brechungsindex größer ist.

Eine gute mathematische Beschreibung der Einzelprismendispersion wird von Born und Wolf gegeben . Der Fall der Mehrfachprismendispersion wird von Duarte behandelt .

Die Zerlegung von weißem Licht in Farben durch ein Prisma führte Sir Isaac Newton zu dem Schluss, dass weißes Licht aus einer Mischung verschiedener Farben besteht.

Überblick

Obwohl der Brechungsindex in jedem Material von der Wellenlänge abhängt, haben einige Materialien eine viel stärkere Wellenlängenabhängigkeit (sind viel stärker dispersiv) als andere. Krongläser wie BK7 haben eine relativ geringe Dispersion, während Flintgläser eine viel stärkere Dispersion (für sichtbares Licht) aufweisen und sich daher besser als dispersive Prismen eignen. Quarzglas und andere optische Materialien werden bei ultravioletten und infraroten Wellenlängen verwendet, wo normale Gläser undurchsichtig werden.

Der Spitzenwinkel des Prismas (der Winkel der Kante zwischen den Eingangs- und Ausgangsflächen) kann verbreitert werden, um die spektrale Dispersion zu erhöhen. Sie wird jedoch oft so gewählt, dass sowohl die einfallenden als auch die ausgehenden Lichtstrahlen die Oberfläche um den Brewster-Winkel treffen ; über den Brewster-Winkel hinaus nehmen Reflexionsverluste stark zu. Am häufigsten sind dispersive Prismen gleichseitig (Scheitelwinkel von 60 Grad), wo dies ungefähr der Fall ist.

Typen

Arten von dispersiven Prismen umfassen:

Gitter- und Prismenhalterungen

Es gibt sechs Gitter-/Prismenkonfigurationen, die als "Klassiker" gelten:

Grismen (Gitterprismen)

Ein Beugungsgitter kann auf eine Fläche eines Prismas gerichtet werden, um ein Element zu bilden, das als "Grism" bezeichnet wird. Spektrographen werden in der Astronomie häufig verwendet, um die Spektren von Sternen und anderen astronomischen Objekten zu beobachten . Das Einfügen eines Grismas in den kollimierten Strahl eines astronomischen Imagers verwandelt diese Kamera in ein Spektrometer, da der Strahl beim Durchgang immer noch in ungefähr der gleichen Richtung weiterläuft. Die Ablenkung des Prismas ist beschränkt, um die Ablenkung aufgrund des Beugungsgitters bei der zentralen Wellenlänge des Spektrometers genau aufzuheben.

Eine andere Art von Spektrometerkomponente, die als Immersed Grid bezeichnet wird, besteht ebenfalls aus einem Prisma mit einem Beugungsgitter, das auf einer Oberfläche angeordnet ist. In diesem Fall wird das Gitter jedoch in der Reflexion verwendet, wobei Licht auf das Gitter aus dem Inneren des Prismas trifft, bevor es intern total zurück in das Prisma reflektiert wird (und von einer anderen Seite verlässt). Die Reduzierung der Lichtwellenlänge innerhalb des Prismas führt zu einer Erhöhung der resultierenden spektralen Auflösung um das Verhältnis des Brechungsindex des Prismas zu dem von Luft.

Sowohl bei einem Grisma- als auch bei einem Immersed-Gitter ist die primäre Quelle der spektralen Dispersion das Gitter. Jeder Effekt aufgrund der chromatischen Dispersion des Prismas selbst ist zufällig, im Gegensatz zu tatsächlichen Spektrometern auf Prismenbasis.

In der Populärkultur

Die Wiedergabe eines Künstlers eines Dispersionsprisma ist auf dem Cover der gesehen Pink Floyd ‚s The Dark Side of the Moon , einer der meistverkauften Alben aller Zeiten. Die ikonische Grafik zeigt einen weißen Lichtstrahl, der in das Prisma eintritt und sich zu zerstreuen beginnt, und zeigt das Spektrum, das das Prisma verlässt.

Siehe auch

Verweise