棱镜

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定义:可以折射或反射光的透明光学装置。

光学棱镜是一种透明装置,光可以在其中传播,通常由玻璃制作而成。由于端面不是相互平行的,因此会发生折射(光束方向发生改变),并且由于材料的色散,折射通常与波长有关。但是,有时需要用到全反射,有时出射光束方向与波长无关。

棱镜表面的反射光是需要消除的。当光为P偏振时,入射角为布儒斯特角的情况下就能抑制反射光。有时也会采用抗反射涂层来消除反射光。

光学很多方面都需要用到棱镜;下面会给出一些例子。


目录

色散棱镜

激光光束在棱镜中传播时,棱镜两端面并不是平行的,因此光束会发生偏斜,偏斜角与折射率有关。由于材料的色散,偏斜角还与波长有关。这就是色散棱镜,用途如下:

图1:棱镜对在空间上分离不同波长成份,同时引入与波长有关的相位变化和色散。
  1. 可以将光束中波长差别较大的成分分离开。例如,可以将倍频光束从基本光中分离出来。还可以将其用到光谱仪中,但是波长分辨率较低,因为角度色散比较小。
  2. 类似的,还可以将两个不同波长的光进行合束(参阅频谱组束技术)。(如果两波长相近,采用衍射光栅更合适,因为光栅的角度色散分辨率更高。)
  3. 激光器腔内的透镜可用于波长调谐
  4. 色散棱镜对不仅产生棱镜材料的色散,整个装置的路程也与波长有关(如图1)。这种方法可用在锁模激光器中用于色散补偿。即使棱镜色散为正常色散,也可以得到反常色散。

一般光路采用对称结构,即入射和出射光束与对应的表面之间的夹角是相通的。如果可以合适选取棱镜角度,那么可以在两个表面都能得到布儒斯特角。通常不希望改变光束尺寸。对称结构中很容易排列棱镜,这时的偏转角是最小的。

例如,采用高色散的燧石玻璃SF10制作棱镜,棱镜做成等边三角形非常适合,因为这时入射角和出射角近似为对称结构,角度接近于布儒斯特角,约为60°。


后向反射棱镜

图2:后向反射棱镜。即使棱镜有一点倾斜,反射光的方向也没有变化。

直角棱镜可用做后向反射镜,它利用了两个位置的全反射(图2)。如果两反射表面的夹角为90°,得到的反射光束平行于入射光束,即使棱镜有点倾斜也是如此。只是光束偏移量会发生改变。

如果镜子是倾斜的,那么光束方向改变的角度是倾斜角的两倍。后向反射棱镜很容易排列,因为其具体的指向关系不大。

在这种结构中,入射/出射界面处的折射与波长有关不会产生影响,因为光束近乎垂直于表面。



失真棱镜

图3:失真棱镜。出射光束比入射光束窄很多。

失真棱镜可改变一个方向上的光束尺寸。这时入射光与出射光与相应表面之间的夹角差别很大,例如,图3中入射光束是垂直于表面的。这时光束尺寸只在一个方向上发生改变,这是由结构引起的,而不是由于聚焦等机制。

由于至少一个光束远离布儒斯特角,常常需要采用抗反射涂层来消除反射。

如果不需要光束方向发生变化,可以采用一对棱镜,这样能得到只存在水平偏移的光束。

失真棱镜典型的应用是使激光二极管的输出光束对称。通常采用失真棱镜对来保持光束方向不发生改变。



复合棱镜

复合棱镜是将两个或更多不同材料的棱镜组合在一起得到的。例如,双棱镜是内表面的折射引起总的偏移角度为0,但是光束偏移量与波长相关。这可以用于低分辨率的光谱仪中。


棱镜偏振器

偏振器通常由棱镜得到,例如,Glan-Taylor棱镜和Wollaston棱镜。参阅偏振器得到更多细节。


参阅:棱镜对失真棱镜对偏振器薄膜偏振器光谱仪