Tài liệu: Lăng kính và bộ tách chùm tia

Chia sẻ: Quynh Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

71
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Lăng kính và bộ phân tách chùm tia là những thành phần chủ yếu bẻ cong, phân tách, phản xạ, và uốn khúc tia sáng qua đường truyền của cả quang hệ đơn giản và phức tạp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu: Lăng kính và bộ tách chùm tia

Lăng kính và bộ tách chùm tia Lăng kính và bộ phân tách chùm tia là những thành phần chủ yếu bẻ cong, phân tách, phản xạ, và uốn khúc tia sáng qua đường truyền của cả quang hệ đơn giản và phức tạp. Được cắt và hàn với dung sai đặc biệt và góc chính xác, lăng kính là khối thủy tinh, hoặc chất liệu trong suốt khác, nhẵn bóng, có thể dùng làm uốn cong hoặc làm lệch hướng chùm tia sáng, làm quay hoặc đảo ngược ảnh, phân tách các trạng thái phân cực, hoặc làm tán sắc ánh sáng thành các bước sóng thành phần của nó. Nhiều thiết kế lăng kính có thể thực hiện nhiều chức năng, thường bao gồm việc làm thay đổi đường nhìn và đồng thời làm giảm quang trình, do đó làm giảm kích thước của dụng cụ quang.
Giống như tên goi, bộ tách chùm được dùng để gởi trả lại một phần chùm tia sáng, đồng thời cho phép phần còn lại tiếp tục đi theo đường thẳng. Bộ tách chùm có thể đơn giản là một bản thủy tinh hình vuông hoặc hình chữ nhật tráng một chất phản xạ, hoặc chúng có thể tích hợp dạng lớp phủ bề mặt trong những cơ cấu quang nhiều thành phần phức tạp. Bộ tách chùm phổ biến nhất sử dụng hai lăng kính góc vuông tráng ở cạnh huyền, tạo ra một bề mặt bán phản xạ, và rồi hàn lại với nhau thành hình lập phương. Khi hợp nhất vào một quang hệ, một phần ánh sáng truyền qua khối bị lệch góc 90 độ khi chạm phải ranh giới tráng gương giữa hai lăng kính hình nêm. Phần còn lại truyền qua khối không bị lệch. Ngoài việc có thể chia chùm tia sáng thành hai thành phần, bộ tách chùm cũng có thể được dùng để kết hợp hai chùm tia sáng hoặc các ảnh tách rời thành một. Bộ tách chùm và lăng kính không chỉ có mặt trong những thiết bị quang thông dụng đa dạng, như camera, ống nhòm, kính hiển vi, kính thiên văn, kính tiềm vọng, và thiết bị phẫu thuật, mà còn có mặt trong nhiều thiết bị khoa học phức tạp, như giao thoa kế, máy đo ảnh phổ, và huỳnh quang kế. Cả hai công cụ quang quan trọng này đều cần thiết cho các ứng dụng laser yêu cầu điều khiển chặt chẽ hướng chùm tia đến dung sai chính xác, với lượng ánh sáng bị thất thoát do tán xạ và phản xạ không mong muốn ít nhất. Minh họa trong hình 1 là sơ đồ cấu tạo ống quan sát của kính hiển vi hai mắt nhìn điển hình. Để làm lệch ánh sáng do vật kính thu thập vào cả hai thị kính, trước tiên phải chia ánh sáng ra bằng bộ tách chùm,
rồi hướng chúng qua lăng kính phản xạ vào ống dẫn sáng hình trụ song song. Như vậy, ống quan sát hai mắt nhìn sử dụng cả kĩ thuật lăng kính và 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 khúc xạ hoặc tán sắc. Loại thứ nhất được dùng để gởi lại chùm tia sáng bằng sự phản xạ nội toàn phần, còn loại thứ ba có thể dùng để bẻ cong và tách ánh sáng thành các màu thành phần của nó. Ngược lại, lăng kính phân cực là tinh thể lưỡng chiết chia ánh sáng tới chưa phân cực thành các thành phần riêng biệt trực giao lẫn nhau. Lăng kính này được dùng để tạo ra ánh sáng phân cực cho các quang cụ như kính hiển vi và máy đo phân cực. Gương thường được sử dụng nhằm làm gấp khúc ánh sáng qua một quang hệ. Lăng kính cũng có thể đóng vai trò tương tự, trừ khi bề mặt phản xạ nội của lăng kính xử sự như các gương ghép chặt với nhau với mỗi mặt có sự định hướng cố định đối với nhau. Đặc điểm này hấp dẫn các nhà chế tạo, vì một khi lăng kính được chế tạo, nó sẽ giữ được các thông số định hướng không bị lệch và không yêu cầu điều chỉnh thêm trong cơ cấu cuối cùng, trừ khi lăng kính tự nó định vị. Tùy theo góc tới của chùm tia sáng, lăng kính có thể khúc xạ ánh sáng hoặc cho phép nó đi vào không bị lệch và chịu sự phản xạ nội toàn phần, nếu như chiết suất đủ lớn và góc nội lăng kính có dạng hình học thích hợp. Lăng kính phản xạ Các thông số góc biểu hiện bởi lăng kính rất phong phú dẫn tới việc mở rộng bất ngờ công dụng của lăng kính như là những thành phần quang chiến lược. Lăng kính phản xạ thường được thiết kế để đặt ở những định hướng đặc biệt, trong đó mặt đến và mặt ra vừa vuông góc vừa song song với trục quang. Ví dụ, lăng kính góc vuông có hình học đơn giản của tam giác vuông 45 độ (xem hình 2) và là một trong những lăng kính được sử dụng phổ biến nhất cho việc lái ánh sáng và làm quay ảnh. Một bó sóng ánh sáng song song đi vào một trong hai 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 có chiết suất lớn hơn căn
bậc hai của 2 (khoảng 1,414), thì ánh sáng sẽ chịu sự phản xạ nội toàn phần tại ranh giới thủy tinh/không khí khi đi trong lăng kính. Đặc điểm này khi ến lăng kính trở thành vật thay thế hấp dẫn cho gương, vì không yêu cầu tráng kim loại hay chất 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 (thường chỉ vài phần trăm) là do khi ếm khuyết nhỏ của bề mặt, sự hấp thụ bởi chất làm lăng kính, và sự phản xạ tại chân vào và chân ra của lăng kính. Sự mài nhẵn tỉ mỉ bề mặt và áp dụng chất phủ chống phản xạ thích hợp cho các chân sẽ làm giảm tối thiểu những sự thất thoát ánh sáng thứ yếu này. Theo định hướng này, lăng kính góc vuông hoạt động như một hệ đảo ảnh với mặt trên thực hiện nhiệm vụ của gương phẳng bằng cách tạo ra ảnh nghịch từ ảnh thuận, và ngược lại. Chú ý trong hình 2a là quả đấm màu đỏ và đầu định hướng dưới đã quay đi, còn mặt trái và phải vẫn ở vị trí cũ. Định hướng lại lăng kính góc vuông, sao cho bây giờ ánh sáng đi vào và đi ra qua mặt cạnh huyền, tạo thành gương không đảo chiều, như minh họa trong hình 2. Thường được gọi là lăng kính Porro, chùm tia sáng trong cấu hình này chịu 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, nhưng không đảo trái sang phải. Khi lăng kính được dùng theo kiểu này, nó thường được gọi là lăng kính độ lệch không đổi, vì các tia sáng tới và tia sáng ló song song nhau, bất kể góc ánh sáng đi vào lăng kính. Lăng kính Porro cũng được sử dụng trong cơ cấu hai mắt nhìn truyền thống, trong đó chúng ghép đôi trực giao với nhau để trước tiên làm lộn ngược, rồi sau đó làm đảo chùm tia sáng, tạo ra ảnh thẳng đứng, hay cùng chiều. Bộ lăng kính song sinh này làm gấp khúc đường đi tia sáng của quang hệ và cũng làm dịch chuyển ảnh cả chiều ngang và chiều dọc đi nửa chiều dài cạnh huyền theo mỗi hướng. Lăng kính hai mắt nh ìn luôn được chế tạo với các góc bầu để làm giảm trọng lượng và kích thước, và có một rảnh nhỏ cắt vào mặt cạnh huyền nhằm làm cản trở các tia sáng phản xạ nội ở những góc sớt qua.
Định hướng thứ ba của lăng kính góc vuông so với chùm tia sáng tới (hình 2c) thường được gọi là lăng kính bồ câu, có công dụng làm bộ quay ảnh. Lăng kính bồ câu thường có phần chóp hình tam giác không cần thiết bị cắt bỏ, vừa làm giảm trọng lượng vừa làm giảm sự phản xạ nội sai lạc. Một bó tia sáng đi vào lăng kính bồ câu song song với mặt cạnh huyền, và bị khúc xạ xuống dưới tại chân thứ nhất về phía mặt trong dài hơn. Khi bị phản xạ nội toàn phần bởi mặt cạnh huyền, ánh sáng lại bị khúc xạ lần nữa khi nó ra khỏi lăng kính qua chân bên kia và tiếp tục đi theo hướng cũ mà nó truyền trước khi đi vào lăng kính. Vì lăng kính bồ câu có độ loạn thị cao khi ánh sáng hội tụ truyền qua, nên nó hầu như dùng riêng với ánh sáng chuẩn trực. Lăng kính bồ câu không làm lệch hoặc làm dịch chuyển ảnh, nhưng nó có thể được dùng làm đảo hoặc lộn ngược ảnh. Mặc dù thoạt nhìn thì lăng kính bồ câu có vẻ là ứng cử viên tốt đối với sự tán sắc (do góc tới của chùm tia sáng), nhưng sự truyền ánh sáng qua lăng kính này thật sự tương đương với sự truyền qua một phiến thủy tinh có mặt hỗ trợ làm quay ảnh. Một hệ quả lí thú của hình học kiểu bồ câu là lăng kính bị quay theo trục dọc. Trong sự định hướng trong hình 2c, ánh sáng truyền qua lăng kính bồ câu hình thành ảnh lộn ngược tử trên xuống dưới và đảo từ phải sang trái. Tuy nhiên, nếu lăng kính quay đi 45o, thì ảnh thu được quay đi 90o, và khi lăng kính quay đi thêm 45o nữa (tức là quay tổng cộng 90o, lăng kính nằm trên “mặt” của nó), lúc này ảnh quay đi 180o. Như vậy, ảnh quay nhanh gấp hai lần lăng kính. Trong thực tế, hai lăng kính bồ câu thường hàn với nhau ở mặt cạnh huyền (sau khi đặt một mặt
gương lên những mặt này) tạo thành bộ đôi thấu kính có khả năng làm thay đổi hướng nhìn cho kính thiên văn, kính viễn vọng, và những quang cụ khác. Lăng kính phản xạ có thể miêu tả như một bản hoặc khối thủy tinh phẳng song song có bề dày có thể xác định bằng cách gấp lăng kính theo xung quanh các mặt phản xạ của nó, như minh họa trong hình 3. Lăng kính chưa gấp lại được trình bày dưới dạng biểu đồ đường ngầm, và có bề dày bằng với chiều dài của mặt tới và mặt ra. Trên cơ sở thông tin này, bề dày biểu kiến của lăng kính có thể xác định được từ chiết suất, biểu diễn bằng phương trình sau: Bề dày khả kiến = d/n trong đó d là bề dày kính (xác định từ lăng kính chưa gấp), và n là chiết suất. Đường đi tia sáng qua lăng kính chưa gấp đối với trường hợp góc vuông đơn giản, và lăng kính Porro tương ứng được biểu diễn trong hình 3a và 3b. Đối với lăng kính góc vuông, bề dày chưa gấp bằng với chiều dài của chân ngắn (qua đó ánh sáng đi vào và đi ra lăng kính). Việc gấp nếp một lăng kính cũng sẽ cho thấy kích thước chùm tia lớn nhất có thể truyền qua mà không phân tán qua các rìa của lăng kính. Biểu đồ đường hầm đối với lăng kính bồ câu được minh họa trong hình 3c, và cho thấy đường đi không gấp khúc của các tia sáng khúc xạ khi chúng truyền qua khối thủy tinh nghiêng so với góc ánh sáng tới. Lưu ý rằng cấu hình này là lăng kính duy nhất trong hình 3 chịu sự khúc xạ tại mặt phân giới vào và ra. Góc tia sáng đi vào lăng kính bồ câu yêu cầu chiều cao của mặt vào bị giới hạn bởi chiều dài của mặt đế (mặt cạnh huyền, hoặc mặt dài). Việc mở ra các thành phần của quang hệ thường là phương pháp tốt nhất để xác định ánh sáng truyền như thế nào qua các lỗ, thấu kính, và các bộ làm lệch góc đa dạng, và có thể nghiên cứu kĩ lưỡng nhằm cải thiện các thông số thiết kế và hiệu suất.
Thay mặt cạnh huyền của lăng kính góc vuông bằng một vòm phản xạ nội toàn phần gồm hai bề mặt đặt lệch 90 độ so với nhau, ta có lăng kính Amici (xem hình 4b). Việc thêm mái vòm ngoài nhiệm vụ duy trì sự đảo 90o đối với ảnh thu được với thấu kính góc vuông, còn làm quay ảnh đi 180o xung quanh trục chính. Tại mặt vòm, các tia sáng tới tại góc thông thường cho phép chúng truyền qua mặt cạnh huyền giao nhau bởi sự phản xạ nội toàn phần qua lăng kính. Kết quả là làm tách ảnh ở chính giữa và hoán chuyển phần bên trái và bên phải. Lăng kính Amici đắt và khó chế tạo vì góc vòm phải hàn đến dung sai 2-4 giây cung để tránh sự hình thành ảnh kép. Ngoài ra, việc thêm thành phần vòm làm giảm độ phân giải giới hạn nhiễu xạ đi gần như hai lần theo hướng vuông góc với cạnh vòm, cho dù độ chính xác khi chế tạo là bao nhiêu. Vấn đề này có thể được khắc phục một phần bằng cách tráng nhiều lớp lên bề mặt. Một kiểu phổ biến khác, lăng kính năm mặt (hình 4a), làm lệch ánh sáng qua góc 90o không đổi mà không làm đảo ảnh (kh ông nên nhằm lăng kính này với lăng kính penta sử dụng trong camera phản chiếu một thấu kính, cùng dùng một lăng kính vòm để tạo ra ảnh thẳng đứng). Như minh họa trong hình 4a, lăng kính năm mặt làm phản xạ ánh sáng từ hai mặt bên trong tại những góc không đủ để chịu sự phản xạ nội toàn phần, do đó yêu cầu phải tráng gương lớp mỏng ở mặt ngoài. Lăng kính năm mặt cũng thường được gọi là hình vuông quang học (khi sử dụng trong thiết bị trắc địa), vì tia sáng vào bị lệch góc như nhau, bất kể sự định hướng lăng kính so với hướng nhìn. Lăng kính hình bình hành chế tạo có hình dạng hình bình hành làm dịch chuyển chùm tia hoặc hướng nhìn mà không ảnh hưởng tới sự định hướng ảnh (hình 4c). Lăng kính này có hai mặt (chân) phản xạ song song nhỏ
hơn bị cắt ở góc 45o từ vật hình chữ nhật dài hơn nhiều. Những mẫu thấu kính đa dạng khác có những tính chất độc đáo, chủ yếu cho ảnh thẳng đứng hoặc đảo ảnh, cho phép chúng thực hiện nhiều chức năng đặc biệt trong quang hệ. Lăng kính phân cực Nhà vật lí người Scotland William Nicol là người đầu tiên nghĩ ra lăng kính phân cực bằng cách cắt khoáng vật calcite (spar Iceland) hình bình hành theo đường chéo, tráng các bề mặt mới cắt, rồi hàn chúng lại với nhau bằng nhựa Canada. Kết quả thu được là một tinh thể lưỡng chiết trong suốt, gọi là lăng kính Nicol, phân tách có hiệu quả ánh sáng phân cực tại ranh giới giữa hai nửa tinh thể. Khi đi vào lăng kính qua một chân góc nhỏ (song song với trục dọc của tinh thể), ánh sáng không phân cực bị tách thành hai thành phần phân cực, gọi là sóng thường và sóng bất thường, truyền trong tinh thể với tốc độ khác nhau. Hai sóng ánh sáng phân tách cũng có hướng dao động vectơ điện trường hợp với nhau góc 90o. Khi sóng ánh sáng phân tách chạm tới ranh giới giữa hai phần tinh thể, thành phần thường bị khúc xạ ở mức độ nhiều hơn và bị hấp thụ bởi lớp sơn đen phía mặt ngoài của lăng kính. Trái lại, tia bất thường truyền qua ranh giới và ló ra khỏi lăng kính hơi bị dịch một chút, nhưng vẫn truyền theo hướng song song với ánh sáng tới. Ánh sáng phân cực phẳng có thể dùng để rọi sáng các mẫu vật lưỡng chiết trong kính hiển vi hoặc những dụng cụ khác yêu cầu cung cấp ánh sáng có dao động vectơ điện trường giới hạn trong một mặt phẳng. Những biến thể phổ biến khác của lăng kính Nicol có kính phân cực Glan- Foucault (xem hình 5a), gồm hai lăng kính calcite giống hệt nhau cắt sao cho trục
quang song song với cạnh góc, và gắn với một khe không khí nhỏ sao cho các mặt tinh thể dài song song với nhau. Lăng kính này trong suốt đối với các bước sóng từ khoảng 230nm, trong vùng phổ tử ngoại, tới bức xạ hồng ngoại trên 5000nm. Phạm vi truyền bước sóng rộng như vậy cho phép lăng kính Glan-Foucault được sử dụng trong nhiều thiết bị đa dạng. Giống như lăng kính Nicol, ánh sáng tới chạm tới lăng kính Glan-Foucault bị tách thành sóng thường và sóng bất thường dao động song song hoặc vuông góc với trục quang. Tuy nhiên, trong trường hợp này, sóng ánh sáng phân tách truyền qua lăng kính mà không khúc xạ cho tới khi chúng chạm tới ranh giới thủy tinh/không khí, tại đây tia thường bị phản xạ nội hoàn toàn, nhưng tia bất thường truyền qua ranh giới đó và chỉ bị lệch một chút. Nếu hai nửa tinh thể dán với nhau, lăng kính khi đó được gọi là kính phân cực (hay lăng kính) Glan-Thompson, và có thể chịu được bức xạ cường độ mạnh hơn, ví dụ như bức xạ phát ra từ một nguồn laser cường độ cao. Lăng kính lưỡng chiết thứ ba là lăng kính Wollaston, thực ra là một bộ tách chùm phân cực chế tạo từ hai phần calcite hoặc thạch anh hàn với nhau với trục quang định hướng trực giao (hình 5b). Ánh sáng phân cực truyền qua lăng kính Wollaston bị tách thành các sóng trực giao, như mô tả ở phần trên đối với các lăng kính phân cực khác. Tuy
nhiên, khi sóng thường và sóng bất thường chạm tới lớp tiếp giáp hàn chéo góc, chúng trao đổi nhân dạng, bị khúc xạ theo hướng khác nhau, và ló ra khỏi lăng kính hơi dịch ra xa nhau. Góc lệch (thường gọi là góc biến dạng) giữa hai sóng ánh sáng đi ra được xác định bởi góc nêm của lăng kính, thường thay đổi từ 15 đến 45o.