Prisma - Prism

Um prisma de plástico

Um prisma óptico é um elemento óptico transparente com superfícies planas polidas que refratam a luz . Pelo menos uma superfície deve ser inclinada - elementos com duas superfícies paralelas não são prismas. A forma geométrica tradicional de um prisma óptico é a de um prisma triangular com uma base triangular e lados retangulares e, em uso coloquial, "prisma" geralmente se refere a esse tipo. Alguns tipos de prismas ópticos não têm, de fato, a forma de prismas geométricos . Os prismas podem ser feitos de qualquer material transparente para os comprimentos de onda para os quais foram projetados. Os materiais típicos incluem vidro , acrílico e fluorita .

Um prisma dispersivo pode ser usado para quebrar a luz branca em suas cores espectrais constituintes (as cores do arco - íris ). Além disso, os prismas podem ser usados ​​para refletir a luz ou para dividir a luz em componentes com polarizações diferentes .

Como funcionam os prismas

Um prisma triangular, dispersando luz; ondas mostradas para ilustrar os diferentes comprimentos de onda da luz. (Clique para ver a animação)

A luz muda de velocidade à medida que se move de um meio para outro (por exemplo, do ar para o vidro do prisma). Essa mudança de velocidade faz com que a luz seja refratada e entre no novo meio em um ângulo diferente ( princípio de Huygens ). O grau de curvatura do caminho da luz depende do ângulo que o feixe de luz incidente faz com a superfície e da razão entre os índices de refração dos dois meios ( lei de Snell ). O índice de refração de muitos materiais (como o vidro) varia com o comprimento de onda ou a cor da luz usada, um fenômeno conhecido como dispersão . Isso faz com que a luz de cores diferentes seja refratada de maneira diferente e deixe o prisma em ângulos diferentes, criando um efeito semelhante a um arco - íris . Isso pode ser usado para separar um feixe de luz branca em seu espectro de cores constituintes . Uma separação semelhante ocorre com materiais iridescentes , como uma bolha de sabão. Os prismas geralmente dispersam a luz em uma largura de banda de frequência muito maior do que as grades de difração , tornando-os úteis para espectroscopia de amplo espectro . Além disso, os prismas não sofrem de complicações decorrentes de ordens espectrais sobrepostas, que todas as grades têm.

Às vezes, os prismas são usados ​​para a reflexão interna nas superfícies, em vez de para a dispersão. Se a luz dentro do prisma atingir uma das superfícies em um ângulo suficientemente acentuado, ocorre a reflexão interna total e toda a luz é refletida. Isso torna um prisma um substituto útil para um espelho em algumas situações.

Ângulo de desvio e dispersão

Um traço de raio através de um prisma com ângulo de vértice α. Regiões 0, 1 e 2 têm índices de refração , e , e ângulos preparadas indicam o ângulo do raio depois de refração.

O desvio do ângulo do raio e a dispersão através de um prisma podem ser determinados traçando um raio de amostra através do elemento e usando a lei de Snell em cada interface. Para o prisma mostrado à direita, os ângulos indicados são dados por

.

Todos os ângulos são positivos na direção mostrada na imagem. Por um prisma no ar . Definindo , o ângulo de desvio é dado por

Se o ângulo de incidência e o ângulo do ápice do prisma forem pequenos e se os ângulos forem expressos em radianos . Isso permite que a equação não linear no ângulo de desvio seja aproximada por

O ângulo de desvio depende do comprimento de onda até n , portanto, para um prisma fino, o ângulo de desvio varia com o comprimento de onda de acordo com

.

História

Um prisma triangular, dispersando luz

Como muitos termos geométricos básicos, a palavra prisma ( grego : πρίσμα , romanizadoprisma , lit. 'algo serrado') foi usado pela primeira vez de Euclides Elements . Euclides definiu o termo no Livro XI como "uma figura sólida contida por dois planos opostos, iguais e paralelos, enquanto o resto são paralelogramos", no entanto, as nove proposições subsequentes que usaram o termo incluíram exemplos de prismas de base triangular (ou seja, com lados que não eram paralelogramos). Essa inconsistência causou confusão entre os geômetras posteriores.

René Descartes tinha visto a luz separada nas cores do arco-íris por vidro ou água, embora a origem da cor fosse desconhecida. A experiência de 1666 de Isaac Newton de dobrar a luz branca através de um prisma demonstrou que todas as cores já existiam na luz, com " corpúsculos " de cores diferentes se espalhando e viajando com velocidades diferentes através do prisma. Só mais tarde Young e Fresnel combinaram a teoria das partículas de Newton com a teoria das ondas de Huygens para explicar como a cor surge do espectro da luz.

Newton chegou à sua conclusão passando a cor vermelha de um prisma por um segundo prisma e encontrou a cor inalterada. A partir disso, ele concluiu que as cores já devem estar presentes na luz incidente - assim, o prisma não criou cores, mas apenas separou cores que já estão lá. Ele também usou uma lente e um segundo prisma para recompor o espectro em luz branca. Este experimento se tornou um exemplo clássico da metodologia introduzida durante a revolução científica . Os resultados do experimento transformado dramaticamente o campo da metafísica , levando a John Locke 's principal vs distinção de qualidade secundária .

Newton discutiu a dispersão do prisma em grande detalhe em seu livro Opticks . Ele também introduziu o uso de mais de um prisma para controlar a dispersão. A descrição de Newton de seus experimentos com dispersão de prisma foi qualitativa. Uma descrição quantitativa da dispersão de prisma múltiplo não era necessária até que os expansores de feixe de laser de prisma múltiplo fossem introduzidos na década de 1980.

Tipos

Prismas dispersivos

Comparação dos espectros obtidos a partir de uma rede de difração por difração (1) e um prisma por refração (2). Os comprimentos de onda mais longos (vermelho) são mais difratados, mas menos refratados do que os comprimentos de onda mais curtos (violeta).

Os prismas dispersivos são usados ​​para quebrar a luz em suas cores espectrais constituintes porque o índice de refração depende da frequência ; a luz branca que entra no prisma é uma mistura de frequências diferentes, cada uma delas curvada de forma ligeiramente diferente. A luz azul é mais lenta do que a luz vermelha e, portanto, será mais curvada do que a luz vermelha.

Prismas reflexivos

Os prismas reflexivos são usados ​​para refletir a luz, a fim de girar, inverter, girar, desviar ou deslocar o feixe de luz. Eles são normalmente usados ​​para erguer a imagem em binóculos ou câmeras reflex de lente única - sem os prismas, a imagem ficaria de cabeça para baixo para o usuário. Muitos prismas reflexivos usam reflexão interna total para alcançar alta refletividade.

Os prismas reflexivos mais comuns são:

Prismas de divisão de feixe

Alguns prismas reflexivos são usados ​​para dividir um feixe em dois ou mais feixes:

Prismas polarizadores

Existem também prismas de polarização que podem dividir um feixe de luz em componentes de polarização variável . Estes são normalmente feitos de um material cristalino birrefringente .

Defletindo prismas

Os prismas de cunha são usados ​​para desviar um feixe de luz por um ângulo fixo. Um par de tais prismas pode ser usado para direcionar o feixe ; girando os prismas, o feixe pode ser desviado para qualquer ângulo desejado dentro de um "campo de visão" cônico. A implementação mais comumente encontrada é um par de prisma Risley . Dois prismas de cunha também podem ser usados ​​como um par anamórfico para alterar a forma de um feixe. Isso é usado para fazer um feixe redondo a partir da saída elíptica de um diodo laser .

Os prismas romboides são usados ​​para deslocar lateralmente um feixe de luz sem inverter a imagem.

Os prismas de convés eram usados ​​em navios à vela para trazer a luz do dia para baixo do convés, uma vez que velas e lampiões a querosene são um risco de incêndio em navios de madeira.

Em optometria

Ao deslocar as lentes corretivas para fora do eixo , as imagens vistas através delas podem ser deslocadas da mesma forma que um prisma desloca as imagens. Os profissionais de saúde ocular usam prismas, bem como lentes fora do eixo, para tratar vários problemas ortóticos :

Óculos de prisma com um único prisma realizam um deslocamento relativo dos dois olhos, corrigindo assim a eso, exo, hiper ou hipotropia.

Em contraste, os óculos com prismas de igual poder para ambos os olhos, chamados de prismas conjugados (também: prismas conjugados , lentes ambientais ou óculos de desempenho ) mudam o campo visual de ambos os olhos na mesma medida.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos