Lăng kính và bộ tách chùm tia pptx

Lăng kính và bộ tách chùm tia Lăng kính và bộ phân tách chùmtia là nhữngthànhphần chủ yếu bẻ cong, phân tách, phản xạ, và uốnkhúc tiasáng quađườngtruyền của cả quang hệ đơn giản vàphức tạp.Được cắt và hànvới dungsaiđặc biệt và góc chínhxác, lăng kính là khối thủy tinh,hoặc chất liệutrong suốt khác, nhẵnbóng, có thể dùng làm uốn cong hoặc làm lệch hướng chùm tia sáng, làmquayhoặc đảo ngược ảnh,phân tách các trạng thái phân cực, hoặc làmtán sắcánh sáng thành các bước sóngthành phần củanó. Nhiều thiếtkế lăng kính có thể thực hiện nhiềuchức năng, thường bao gồm việc làmthay đổi đườngnhìn vàđồng thờilàm giảm quang trình, do đó làm giảm kích thước của dụng cụ quang. Giống như tên goi, bộ tách chùmđược dùngđể gởi trả lại một phần chùmtia sáng,đồng thời cho phép phần còn lại tiếp tục đi theođườngthẳng.Bộ tách chùm có thể đơn giản là mộtbản thủy tinh hình vuông hoặc hình chữ nhật tráng một chất phản xạ, hoặc chúng cóthể tích hợp dạng lớpphủ bề mặt trongnhững cơ cấu quangnhiều thành phầnphức tạp. Bộ tách chùmphổ biến nhất sử dụng hailăng kính gócvuông tráng ở cạnh huyền, tạo ramột bề mặt bán phản xạ, và rồi hàn lại với nhauthànhhình lập phương. Khi hợpnhất vào một quanghệ, mộtphần ánh sáng truyền quakhối bị lệch góc90 độ khichạm phải ranh giới tránggương giữa hai lăng kính hìnhnêm. Phần còn lại truyền qua khối không bị lệch. Ngoài việc có thể chia chùm tia sáng thành hai thành phần, bộ tách chùmcũng có thể đượcdùng để kết hợp hai chùm tia sáng hoặc các ảnh tách rời thànhmột. Bộ tách chùm vàlăng kính khôngchỉ có mặt trong những thiết bị quang thông dụng đadạng, như camera,ống nhòm, kínhhiển vi, kính thiênvăn, kính tiềm vọng,và thiết bị phẫu thuật, màcòn có mặt trongnhiều thiết bị khoa học phức tạp, như giao thoakế, máyđo ảnhphổ, và huỳnh quangkế. Cả hai côngcụ quang quan trọng này đều cầnthiết cho cácứng dụnglaser yêucầu điều khiểnchặt chẽ hướng chùm tia đến dung saichínhxác, với lượngánhsáng bị thất thoát dotán xạ và phản xạ không mong muốnít nhất. Minhhọa trong hình1 là sơ đồ cấu tạo ống quan sát của kínhhiển vi haimắt nhìn điển hình. Để làm lệch ánh sáng do vậtkính thu thậpvào cả hai thị kính, trước tiên phải chiaánh sáng rabằng bộ tách chùm, rồi hướng chúng qua lăng kính phản xạ vào ống dẫnsáng hình trụ songsong. Như vậy, ốngquan sát hai mắt nhìn sử dụng cả kĩ thuật lăng kính vàbộ tách chùm để lái các chùm tia sáng có cường độ bằng nhau vào các thị kính. Lăng kính có thể tạm chia thành ba loại chính: lăng kính phản xạ, lăng kính phân cực, và lăng kính khúc xạ hoặc tán sắc. Loạithứ nhất được dùng để gởi lại chùmtia sángbằng sự phản xạ nội toàn phần, còn loạithứ ba có thể dùng để bẻ cong vàtáchánh sáng thành các màu thành phầncủa nó. Ngược lại, lăngkính phân cực là tinh thể lưỡng chiết chiaánh sáng tới chưaphân cựcthànhcác thànhphần riêng biệt trực giao lẫn nhau.Lăng kính này được dùng để tạo ra ánh sáng phân cực cho các quangcụ như kính hiển vi và máy đo phân cực. Gương thườngđược sử dụng nhằm làm gấp khúc ánh sáng quamộtquang hệ. Lăng kính cũng có thể đóng vai trò tươngtự, trừ khi bề mặt phản xạ nội của lăngkính xử sự như các gương ghép chặt với nhau với mỗi mặt có sự địnhhướng cố định đốivới nhau.Đặcđiểm này hấp dẫn các nhà chế tạo, vì một khilăng kính được chế tạo, nó sẽ giữ được các thông số định hướng khôngbị lệch và không yêu cầu điều chỉnh thêm trongcơ cấu cuốicùng, trừ khi lăng kínhtự nó địnhvị. Tùy theo góc tới củachùm tia sáng, lăngkính có thể khúc xạ ánh sánghoặc chophép nó đi vào không bị lệch và chịu sự phản xạ nội toàn phần,nếu như chiết suất đủ lớn và góc nội lăng kínhcó dạng hình học thích hợp. Lăng kính phản xạ Các thông số góc biểu hiện bởi lăngkính rấtphongphú dẫntới việc mở rộng bất ngờ công dụng của lăng kính như là nhữngthành phần quang chiến lược. Lăng kính phản xạ thường đượcthiết kế để đặt ở những định hướngđặcbiệt, trong đó mặtđến và mặt ra vừavuônggóc vừa song song với trục quang. Ví dụ, lăng kính góc vuông có hìnhhọc đơn giản của tam giác vuông45 độ (xemhình2) và là một trong những lăng kính được sử dụng phổ biến nhấtcho việc lái ánhsáng và làm quay ảnh.Một bó sóng ánhsángsong songđi vào một tronghai mặt nhỏ (hoặc chân) của lăng kính ở góc vuông, bị phản xạ từ mặt cạnh huyền (dài nhất)và đi ra qua chân bên kia.Nếu lăng kính được chế tạo từ chất liệu cóchiết suất lớn hơn căn bậc haicủa 2 (khoảng 1,414), thì ánhsángsẽ chịu sự phản xạ nội toànphần tại ranh giới thủytinh/không khí khiđi tronglăngkính. Đặc điểm này khiến lăng kính trở thành vật thay thế hấp dẫn cho gương, vì khôngyêu cầu tráng kimloại haychất lưỡng cực lên mặt phản xạ, đóng vai trò bộ phản xạ gần như hoàn hảo. Sự tán xạ và thất thoát ánh sáng duy nhất xảy ra (thườngchỉ vài phần trăm) là do khiếm khuyết nhỏ của bề mặt, sự hấp thụ bởi chất làm lăng kính, và sự phản xạ tại chânvào và chân ra của lăng kính. Sự mài nhẵntỉ mỉ bề mặt và áp dụng chất phủ chống phản xạ thích hợp cho các chân sẽ làm giảmtối thiểu nhữngsự thấtthoát ánhsáng thứ yếu này. Theođịnhhướngnày, lăngkính góc vuông hoạt động như một hệ đảo ảnhvới mặttrênthực hiệnnhiệm vụ của gương phẳng bằng cách tạo ra ảnh nghịchtừ ảnh thuận, vàngượclại. Chú ý trong hình2alà quả đấm màuđỏ và đầu định hướng dướiđã quay đi, còn mặt trái và phải vẫn ở vị trí cũ. Địnhhướng lại lăng kínhgóc vuông,sao cho bây giờ ánh sáng đi vào vàđi ra quamặtcạnhhuyền,tạothànhgươngkhôngđảochiều, như minhhọatrong hình 2. Thường được gọi là lăng kính Porro,chùm tia sáng trong cấu hình nàychịu hai sự phản xạ nội sau khi nó đi vào lăng kính và bị lệch 180 độ khi đi ra.Kết quả là ảnh bị lộn ngược trên xuống dưới, nhưngkhôngđảo tráisang phải. Khi lăngkính được dùngtheo kiểu này, nó thường được gọi làlăng kính độ lệchkhôngđổi, vìcác tia sáng tới và tia sáng ló songsong nhau,bất kể góc ánhsángđi vào lăng kính.Lăng kính Porrocũngđược sử dụng trong cơ cấu hai mắt nhìn truyền thống, trongđó chúng ghép đôitrực giaovới nhauđể trước tiên làm lộn ngược, rồi sau đó làm đảo chùmtia sáng, tạo ra ảnhthẳngđứng,hay cùngchiều. Bộ lăng kính song sinhnày làm gấp khúc đường đi tia sáng củaquang hệ vàcũng làm dịch chuyển ảnh cả chiều ngang vàchiều dọc đi nửa chiềudài cạnh huyền theomỗi hướng. Lăng kính hai mắtnhìn luônđược chế tạovớicác gócbầuđể làmgiảm trọnglượngvàkíchthước, và có một rảnhnhỏ cắt vào mặt cạnh huyền nhằm làm cản trở các tia sáng phản xạ nội ở những góc sớt qua. Địnhhướng thứ bacủalăngkínhgóc vuôngsovớichùmtiasángtới (hình2c) thường được gọi làlăng kính bồ câu,có côngdụng làm bộ quay ảnh. Lăng kínhbồ câu thườngcó phần chóp hình tam giác không cần thiết bị cắt bỏ, vừalàm giảm trọng lượng vừa làm giảm sự phản xạ nội sailạc. Mộtbó tia sángđi vào lăng kính bồ câu song songvới mặt cạnh huyền, vàbị khúc xạ xuống dưới tại chân thứ nhất về phía mặt trongdài hơn.Khi bị phản xạ nội toàn phần bởi mặt cạnh huyền, ánh sáng lại bị khúc xạ lần nữa khinó rakhỏi lăng kính quachânbênkia và tiếp tục đi theo hướng cũ mà nó truyền trướckhi đi vào lăng kính. Vì lăng kính bồ câu có độ loạnthị cao khi ánhsáng hộitụ truyền qua, nên nóhầu như dùng riêng với ánh sáng chuẩn trực. Lăng kínhbồ câu khônglàm lệch hoặc làm dịch chuyển ảnh, nhưng nó có thể đượcdùng làm đảo hoặc lộn ngược ảnh. Mặcdù thoạt nhìn thì lăng kính bồ câu cóvẻ là ứngcử viên tốt đối với sự tán sắc (do góc tớicủa chùm tia sáng),nhưng sự truyền ánhsáng qualăng kính này thật sự tươngđương với sự truyền quamột phiến thủy tinh có mặt hỗ trợ làm quay ảnh.Một hệ quả lí thú của hìnhhọc kiểu bồ câu là lăng kínhbị quay theo trục dọc. Trong sự định hướng trong hình2c, ánhsángtruyền qua lăng kính bồ câu hình thành ảnh lộn ngược tử trên xuống dưới và đảo từ phải sangtrái. Tuynhiên, nếu lăngkính quay đi 45 o , thì ảnhthu đượcquayđi 90 o , và khi lăng kính quay đi thêm45 o nữa (tức là quaytổng cộng 90 o , lăng kính nằm trên “mặt” của nó),lúc này ảnh quayđi 180 o . Như vậy, ảnh quay nhanhgấphai lầnlăng kính.Trongthựctế, hai lăng kính bồ câu thường hàn vớinhauở mặt cạnh huyền (sau khi đặt mộtmặt gương lên những mặt này) tạo thành bộ đôi thấu kính có khả năng làm thay đổi hướngnhìn chokính thiên văn, kính viễn vọng, và những quangcụ khác. Lăng kính phản xạ cóthể miêu tả như một bản hoặc khối thủytinh phẳng song songcó bề dày cóthể xác định bằngcách gấp lăng kính theoxung quanhcác mặtphản xạ của nó, như minh họa trong hình3. Lăng kính chưa gấp lại được trình bày dướidạngbiểu đồ đường ngầm, và có bề dày bằng với chiềudài của mặt tới và mặtra. Trên cơ sở thông tin này, bề dày biểu kiến của lăngkính cóthể xác định được từ chiết suất, biểu diễn bằng phươngtrình sau: Bề dày khả kiến = d/n trong đó d làbề dày kính (xác địnhtừ lăng kínhchưa gấp), và n là chiết suất. Đường đi tia sáng qua lăngkính chưa gấp đối với trường hợpgóc vuông đơn giản, và lăng kính Porro tương ứngđượcbiểu diễn tronghình 3a và 3b. Đối với lăng kính gócvuông,bề dày chưa gấp bằngvới chiều dài của chân ngắn(qua đó ánh sáng đi vào vàđi ra lăngkính).Việc gấpnếp một lăng kínhcũng sẽ cho thấy kích thướcchùm tialớn nhất có thể truyềnqua mà không phân tán qua các rìa của lăng kính. Biểu đồ đường hầmđối với lăng kínhbồ câu được minhhọa tronghình 3c, và cho thấy đường đi khônggấp khúccủa cáctia sáng khúc xạ khichúng truyền qua khối thủy tinhnghiêng sovới gócánh sángtới. Lưu ý rằng cấu hình này là lăng kính duynhất trong hình3 chịu sự khúc xạ tại mặt phân giớivào và ra.Góc tia sáng đi vào lăng kínhbồ câu yêu cầu chiều cao của mặt vào bị giới hạn bởi chiều dài của mặtđế (mặt cạnhhuyền,hoặc mặt dài). Việcmở ra các thành phần của quang hệ thường là phương pháp tốt nhất để xác định ánh sángtruyền như thế nào qua các lỗ, thấu kính, và các bộ làm lệch gócđa dạng, và có thể nghiên cứukĩ lưỡngnhằm cải thiện các thông số thiết kế và hiệu suất. Thay mặt cạnh huyền củalăng kínhgóc vuông bằng một vòm phản xạ nội toànphần gồm haibề mặt đặt lệch 90 độ so với nhau, ta cólăng kínhAmici(xem hình 4b).Việcthêm máivòm ngoài nhiệmvụ duytrì sự đảo 90 o đối với ảnh thu được với thấu kính góc vuông,cònlàm quayảnh đi 180 o xungquanh trục chính. Tại mặt vòm,các tia sáng tới tại góc thông thường chophép chúng truyền qua mặt cạnh huyền giaonhau bởi sự phản xạ nội toàn phần qua lăng kính. Kết quả là làm tách ảnhở chính giữa và hoán chuyển phần bên trái và bên phải. Lăngkính Amici đắt và khó chế tạo vì gócvòmphải hànđến dungsai 2-4 giây cung để tránhsự hình thành ảnh kép. Ngoài ra,việc thêm thành phần vòm làm giảm độ phângiải giới hạn nhiễu xạ đi gần như hai lầntheo hướngvuônggóc với cạnhvòm, cho dù độ chính xác khichế tạo là bao nhiêu. Vấn đề này cóthể được khắc phục một phần bằng cách tráng nhiềulớp lênbề mặt. Một kiểu phổ biến khác, lăng kínhnăm mặt (hình 4a),làm lệch ánhsáng qua góc 90 o khôngđổi mà không làmđảo ảnh (khôngnên nhằmlăng kính này với lăng kính pentasử dụng trong cameraphản chiếu mộtthấu kính,cùngdùng mộtlăng kính vòm để tạora ảnh thẳng đứng). Như minhhọa trong hình4a, lăng kính năm mặtlàm phảnxạ ánh sáng từ haimặt bên trong tại những góc không đủ để chịusự phản xạ nội toàn phần, do đó yêu cầu phải tráng gương lớp mỏngở mặtngoài. Lăng kính nămmặt cũngthườngđược gọi là hình vuông quang học (khisử dụng trong thiết bị trắc địa), vì tia sángvào bị lệch gócnhư nhau, bất kể sự định hướng lăngkính so vớihướngnhìn. Lăng kínhhình bình hành chế tạo có hình dạng hình bình hànhlàmdịch chuyển chùmtia hoặc hướng nhìn mà không ảnh hưởng tới sự định hướng ảnh(hình 4c). Lăng kínhnày có hai mặt(chân) phản xạ song songnhỏ hơnbị cắt ở góc 45 o từ vật hình chữ nhật dàihơnnhiều. Những mẫu thấu kínhđa dạng khác có những tính chất độc đáo, chủ yếu cho ảnh thẳng đứng hoặc đảo ảnh, cho phép chúng thực hiện nhiều chứcnăng đặc biệttrong quang hệ. Lăng kính phân cực Nhà vật lí người ScotlandWilliamNicollà người đầutiên nghĩ ra lăng kính phân cựcbằngcách cắt khoáng vật calcite(sparIceland) hình bìnhhành theo đườngchéo, tráng các bề mặt mới cắt, rồi hàn chúnglại với nhau bằngnhựa Canada.Kết quả thuđược làmộttinh thể lưỡngchiết trongsuốt,gọi là lăng kính Nicol, phân tách có hiệu quả ánhsáng phâncựctại ranh giới giữa hai nửa tinh thể. Khi đi vào lăngkính qua một chân góc nhỏ (song songvới trụcdọc của tinh thể), ánh sáng khôngphân cựcbị tách thànhhai thành phần phân cực, gọi là sóng thường và sóng bất thường, truyền trong tinhthể với tốc độ khác nhau. Hai sóng ánh sáng phân tách cũng cóhướng dao động vectơ điện trường hợp với nhau góc 90 o . Khi sóngánh sángphân tách chạmtớiranh giớigiữa hai phần tinh thể, thành phần thường bị khúc xạ ở mức độ nhiều hơn và bị hấp thụ bởi lớp sơnđen phía mặtngoài củalăng kính.Trái lại, tia bấtthườngtruyền quaranhgiới vàló ra khỏi lăngkính hơi bị dịch mộtchút, nhưngvẫntruyền theohướng song songvới ánh sáng tới. Ánh sángphâncực phẳngcó thể dùng để rọi sángcácmẫu vật lưỡng chiết trong kính hiểnvi hoặc những dụng cụ khác yêu cầu cung cấp ánhsáng có dao độngvectơ điện trường giới hạntrongmột mặt phẳng. Những biến thể phổ biến khác của lăng kính Nicol cókính phân cực Glan- Foucault(xemhình 5a), gồm hai lăng kính calcite giốnghệtnhau cắt sao chotrục quangsong song với cạnhgóc, vàgắn với một khekhôngkhí nhỏ sao cho các mặt tinh thể dài song song với nhau.Lăng kính này trongsuốt đối với các bước sóng từ khoảng 230nm, trong vùngphổ tử ngoại, tới bức xạ hồng ngoại trên 5000nm. Phạm vitruyền bước sóng rộng như vậy chophép lăng kính Glan-Foucaultđược sử dụng trong nhiều thiết bị đa dạng. Giống như lăng kính Nicol,ánhsáng tới chạm tới lăng kính Glan-Foucaultbị tách thànhsóng thường và sóngbất thường dao độngsong songhoặc vuông góc với trục quang. Tuy nhiên, trong trường hợp này, sóng ánh sáng phân tách truyền qua lăng kính mà không khúcxạ cho tớikhi chúng chạmtới ranhgiới thủy tinh/khôngkhí, tại đây tiathường bị phản xạ nội hoàn toàn,nhưng tia bất thườngtruyềnqua ranhgiớiđó và chỉ bị lệch một chút. Nếu hainửa tinhthể dán với nhau,lăng kính khi đó đượcgọi là kính phân cực (haylăng kính) Glan-Thompson,và có thể chịu đượcbứcxạ cường độ mạnh hơn, vídụ như bức xạ phát ra từ một nguồnlasercường độ cao. Lăng kính lưỡng chiết thứ ba làlăng kínhWollaston, thực ralà một bộ tách chùm phân cực chế tạo từ hai phần calcite hoặc thạch anhhàn vớinhau với trục quangđịnh hướng trực giao (hình 5b). Ánhsángphân cựctruyền qua lăngkính Wollaston bị táchthành các sóng trực giao, như mô tả ở phầntrên đối với các lăng kínhphân cựckhác.Tuy nhiên,khi sóngthường và sóng bất thườngchạmtới lớp tiếp giáphàn chéogóc, chúng traođổinhândạng, bị khúcxạ theo hướng khác nhau,và lóra khỏi lăng kính hơi dịch ra xanhau. Góclệch (thườnggọi là góc biến dạng) giữa haisóng ánh sáng đi ra được xác định bởi gócnêm của lăng kính, thườngthay đổi từ 15 đến 45 o . . thuật lăng kính v bộ tách chùm để lái các chùm tia sáng có cường độ bằng nhau vào các thị kính. Lăng kính có thể tạm chia thành ba loại chính: lăng kính phản xạ, lăng kính phân cực, và lăng kính. Lăng kính và bộ tách chùm tia Lăng kính và bộ phân tách chùmtia là nhữngthànhphần chủ yếu bẻ cong, phân tách, phản xạ, và uốnkhúc tiasáng quađườngtruyền của cả quang hệ đơn giản vàphức. tráisang phải. Khi lăngkính được dùngtheo kiểu này, nó thường được gọi l lăng kính độ lệchkhôngđổi, vìcác tia sáng tới và tia sáng ló songsong nhau,bất kể góc ánhsángđi vào lăng kính .Lăng kính Porrocũngđược