ปริซึมทำงานอย่างไร? อธิบายแสง การหักเห และการกระจายตัว

ปริซึมทำงานโดยการหักเหแสงขณะที่มันผ่านกระจก และเนื่องจากแสงแต่ละสีโค้งงอในมุมที่แตกต่างกันเล็กน้อย แสงสีขาวจึงแผ่ออกเป็นสเปกตรัมที่มองเห็นได้เต็มที่ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับหลักการทางกายภาพที่สำคัญสองประการ: การหักเหของแสง และ การกระจายตัว . การทำความเข้าใจว่าแรงทั้งสองมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร จะอธิบายทุกอย่างตั้งแต่สายรุ้งบนท้องฟ้าไปจนถึงการทดลองด้วยเลเซอร์ในห้องทดลองฟิสิกส์

จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อแสงเข้าสู่ปริซึม

เมื่อรังสีแสงเดินทางจากอากาศเข้าสู่กระจก แสงจะเคลื่อนที่ช้าลง แก้วมีความหนาแน่นมากกว่าอากาศ ซึ่งหมายความว่าแสงจะเคลื่อนที่ผ่านกระจกด้วยความเร็วที่ต่ำกว่า การเปลี่ยนแปลงความเร็วนี้ทำให้รังสีแสงโค้งงอที่ขอบเขตระหว่างวัสดุทั้งสอง การดัดแบบนี้เรียกว่า การหักเหของแสง .

ปริมาณการโก่งงออธิบายไว้ในกฎสเนลส์ ซึ่งระบุว่าอัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมการหักเหของแสงเท่ากับอัตราส่วนของความเร็วแสงในตัวกลางทั้งสอง ในทางปฏิบัติ แสงจะโค้งงอไปเป็นเส้นตั้งฉากกับพื้นผิวเมื่อเข้าสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า และโค้งงอออกไปจากตัวกลางเมื่อออกจากตัวกลาง

ปริซึมมีรูปร่างโดยมีพื้นผิวเรียบเป็นมุมอย่างน้อยสองพื้นผิว แสงเข้ามาทางหน้าหนึ่งและออกผ่านอีกหน้าหนึ่ง เนื่องจากพื้นผิวทั้งสองไม่ขนานกัน การหักเหของแสงที่เกิดขึ้นที่ทางเข้าจึงไม่หักล้างที่ทางออก แต่การหักเหของแสงทั้งสองประกอบกัน ทำให้แสงโค้งงอไปในทิศทางเดียวกัน

เหตุใดแสงสีขาวจึงแยกออกเป็นสีต่างๆ

แสงสีขาวไม่ใช่สีเดียว มันเป็นส่วนผสมของสีทั้งหมดของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ แต่ละสีมีความยาวคลื่นของตัวเอง แสงสีม่วงมีความยาวคลื่นประมาณ 380 ถึง 450 นาโนเมตร ในขณะที่แสงสีแดงอยู่ที่ปลายอีกด้านประมาณ 620 ถึง 750 นาโนเมตร

รายละเอียดที่สำคัญคือแก้วจะชะลอความยาวคลื่นที่แตกต่างกันด้วยปริมาณที่ต่างกัน ความยาวคลื่นที่สั้นกว่า เช่น สีม่วง จะทำให้ภายในกระจกช้าลงและโค้งงอมากขึ้น ความยาวคลื่นที่ยาวกว่า เช่น สีแดง จะเคลื่อนที่ช้าลงและโค้งงอน้อยลง การแปรผันของมุมดัดตามความยาวคลื่นนี้เรียกว่า การกระจายตัว .

ในปริซึมแก้วทั่วไป ดัชนีการหักเหของแสงระหว่างแสงสีม่วงและแสงสีแดงจะแตกต่างกันโดยประมาณ 0.02 ถึง 0.05 ขึ้นอยู่กับประเภทของกระจก ความแตกต่างเล็กๆ น้อยๆ นั้นเพียงพอที่จะกระจายสีออกเป็นรุ้งกินน้ำที่มองเห็นได้เมื่อแสงออกจากปริซึม

ลำดับสีในสเปกตรัม

สีจะปรากฏในลำดับเดียวกันเสมอ เนื่องจากสีจะโค้งงอตามจำนวนคงที่และคาดเดาได้เสมอ จากงอน้อยที่สุดไปงอมากที่สุด ลำดับคือ:

• สีแดง
• ส้ม
• สีเหลือง
• สีเขียว
• สีฟ้า
• สีคราม
• สีม่วง

นี่เป็นลำดับเดียวกับที่เห็นในรุ้งตามธรรมชาติ โดยที่หยดน้ำทำหน้าที่เป็นปริซึมเล็กๆ ในชั้นบรรยากาศ

บทบาทของรูปทรงปริซึม

รูปร่างสามเหลี่ยมของปริซึมมาตรฐานไม่ใช่เรื่องบังเอิญ มุมที่ปลายสุดของรูปสามเหลี่ยม เรียกว่ามุมปลายหรือมุมปริซึม ควบคุมโดยตรงว่าแสงจะผ่านไปมากน้อยเพียงใด มุมเอเพ็กซ์ที่ใหญ่ขึ้นจะทำให้สีแยกจากกันมากขึ้น

ปริซึมสาธิตส่วนใหญ่จะมีมุมยอดเท่ากับ 60 องศา ซึ่งให้การกระจายตัวที่แข็งแกร่งและมองเห็นได้ง่ายโดยไม่ต้องใช้รูปทรงเรขาคณิตที่รุนแรง ปริซึม 30 องศาจะเบนแสงได้นุ่มนวลยิ่งขึ้น ในขณะที่มุมที่สูงกว่า 70 องศาจะเริ่มสูญเสียแสงอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากการสะท้อนภายในที่พื้นผิว

วัสดุของปริซึมก็มีความสำคัญเช่นกัน กระจกฟลินท์หนาแน่นมีดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่ากระจกบอโรซิลิเกตมาตรฐาน ดังนั้นจึงกระจายสีได้ชัดเจนยิ่งขึ้น ด้วยเหตุนี้อุปกรณ์ด้านการมองเห็นที่ต้องการการแยกสีที่แม่นยำจึงใช้กระจกสูตรพิเศษแทนกระจกหน้าต่างธรรมดา

ดัชนีการหักเหของแสงเมื่อเปรียบเทียบกับสีต่างๆ

แม้ว่าความแตกต่างของดัชนีการหักเหของแสงจะดูเล็กน้อยบนกระดาษ แต่ก็สร้างการกระจายของสีที่มองเห็นได้ชัดเจนเมื่อรูปทรงเรขาคณิตของปริซึมขยายไปทั่วใบหน้าทางออก

ปริซึมสามารถรวมแสงกลับเป็นสีขาวได้หรือไม่

ใช่ ไอแซก นิวตัน สาธิตสิ่งนี้ในปี 1666 โดยการวางปริซึมอันที่สองคว่ำลงในเส้นทางของสเปกตรัมที่กระจัดกระจายจากอันแรก ปริซึมที่สองงอแต่ละสีกลับเข้าที่ และรวมเข้าด้วยกันเป็นลำแสงสีขาวเส้นเดียว การทดลองนี้ได้พิสูจน์สองสิ่ง: แสงสีขาวมีทุกสี และตัวปริซึมเองไม่ได้เพิ่มสีให้กับแสง แต่เผยให้เห็นเฉพาะสิ่งที่มีอยู่แล้วเท่านั้น

การกลับด้านได้นี้มีความสำคัญในการออกแบบด้านการมองเห็น ระบบที่ต้องการแยกความยาวคลื่นเพื่อการวิเคราะห์สามารถรวมเข้าด้วยกันใหม่ได้ในภายหลังโดยไม่สูญเสียข้อมูลใดๆ โดยถือว่าระบบทัศนศาสตร์ในอุดมคติไม่มีความคลาดเคลื่อน

การใช้ปริซึมในทางปฏิบัตินอกเหนือจากการแยกสี

ปริซึมไม่ได้ใช้เพียงเพื่อสร้างสายรุ้งเท่านั้น โดยรองรับฟังก์ชันที่แม่นยำหลากหลายในเครื่องมือและเทคโนโลยีด้านแสง

สเปกโทรสโกปี

นักวิทยาศาสตร์ใช้สเปกโตรมิเตอร์แบบปริซึมเพื่อวิเคราะห์แสงที่ปล่อยออกมาหรือดูดซับโดยสสาร แต่ละองค์ประกอบจะสร้างชุดเส้นสเปกตรัมที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว ซึ่งทำหน้าที่เหมือนลายนิ้วมือ นักดาราศาสตร์ใช้เทคนิคนี้เพื่อหาองค์ประกอบทางเคมีของดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างออกไปหลายล้านปีแสง โดยไม่ต้องเก็บตัวอย่างทางกายภาพเลย

กล้องส่องทางไกลและปริทรรศน์

ใช้ปริซึมหลังคาและปริซึม Porro ภายในกล้องส่องทางไกล การสะท้อนภายในทั้งหมด มากกว่าการกระจายตัว เมื่อแสงตกกระทบพื้นผิวด้านในของกระจกในมุมที่สูงชันกว่ามุมวิกฤติ แสงจะสะท้อนกลับอย่างสมบูรณ์โดยไม่มีการสูญเสียใดๆ ช่วยให้กล้องส่องทางไกลสามารถพับเส้นทางแสงให้อยู่ในรูปแบบกะทัดรัดโดยยังคงความสว่างและการวางแนวของภาพไว้

โทรคมนาคมและใยแก้วนำแสง

การแบ่งมัลติเพล็กซ์ความยาวคลื่นในเครือข่ายใยแก้วนำแสงใช้ส่วนประกอบที่มีการกระจายตัวซึ่งทำงานคล้ายกับปริซึม ช่องข้อมูลที่แตกต่างกันจะถูกส่งไปตามความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกัน จากนั้นจึงแยกหรือรวมกันโดยใช้ตะแกรงเลี้ยวเบนหรือองค์ประกอบที่มีลักษณะคล้ายปริซึม ทำให้เส้นใยเดี่ยวสามารถส่งข้อมูลจำนวนมหาศาลไปพร้อมกันได้

ระบบกล้องและโปรเจ็กเตอร์

กล้องวิดีโอระดับไฮเอนด์ใช้ปริซึมแยกลำแสงเพื่อแบ่งแสงที่เข้ามาออกเป็นช่องสีแดง เขียว และน้ำเงินแยกกัน โดยแต่ละช่องจะบันทึกโดยเซ็นเซอร์เฉพาะ ซึ่งให้การสร้างสีที่แม่นยำมากกว่าระบบเซนเซอร์เดี่ยวที่ใช้อาร์เรย์ฟิลเตอร์สี

มุมตกกระทบส่งผลต่อเอาท์พุตอย่างไร

มุมที่แสงตกกระทบพื้นผิวปริซึมส่งผลต่อผลลัพธ์อย่างมาก ที่มุมเบี่ยงเบนต่ำสุด แสงจะส่องผ่านปริซึมอย่างสมมาตรและการกระจายตัวจะสะอาดที่สุด ที่มุมตกกระทบที่สูงชัน ความยาวคลื่นบางช่วงอาจเกิดการสะท้อนภายในทั้งหมดและไม่สามารถออกจากปริซึมได้เลย

สำหรับปริซึมแก้วมงกุฎ 60 องศา มุมเบี่ยงเบนต่ำสุดจะอยู่ที่ประมาณ 37 ถึง 40 องศา เพื่อแสงที่มองเห็นได้ วิศวกรด้านการมองเห็นจะคำนวณสิ่งนี้อย่างแม่นยำเมื่อออกแบบเครื่องมือเพื่อให้แน่ใจว่าความยาวคลื่นที่ต้องการผ่านไปได้โดยมีความผิดเพี้ยนน้อยที่สุด

หากแสงตกกระทบพื้นผิวในมุมที่ตื้นเกินไป แสงอาจสะท้อนออกไปแทนที่จะเข้าไปในกระจกเลย ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ควบคุมโดยสมการเฟรสเนล เคลือบสารกันแสงสะท้อนคุณภาพสูง ปริซึมแสง ลดการสูญเสียพื้นผิวนี้ให้เหลือน้อยที่สุดและปรับปรุงประสิทธิภาพการส่งผ่าน

ความแตกต่างระหว่างปริซึมและตะแกรงการเลี้ยวเบน

ทั้งปริซึมและตะแกรงการเลี้ยวเบนสามารถแยกแสงออกเป็นความยาวคลื่นที่เป็นส่วนประกอบได้ แต่จะแยกแสงออกโดยใช้กลไกทางกายภาพที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ปริซึมใช้การหักเหและการพึ่งพาความยาวคลื่นของดัชนีการหักเหของแสง ตะแกรงเลี้ยวเบนใช้การรบกวนของคลื่นแสงที่กระจัดกระจายจากพื้นผิวที่ปกคลุมไปด้วยเส้นขนานละเอียดหลายพันเส้น

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ลำดับสีจะกลับกันระหว่างทั้งสอง ในปริซึม สีม่วงจะงอมากที่สุด ในตะแกรงเลี้ยวเบน สีแดงจะเลี้ยวเบนไปยังมุมที่ใหญ่ที่สุด ความแตกต่างนี้เป็นผลโดยตรงจากฟิสิกส์พื้นฐานในแต่ละกรณี

เหตุใดวัสดุบางชนิดจึงกระจายแสงมากกว่าวัสดุชนิดอื่น

แนวโน้มที่วัสดุจะกระจายแสงวัดได้จากเลข Abbe ก จำนวน Abbe ต่ำ หมายถึงการกระจายตัวสูงหมายถึงวัสดุแยกสีได้อย่างชัดเจน ตัวเลข Abbe สูงหมายถึงการกระจายตัวต่ำ แก้วฟลินท์หนาแน่นมีเลข Abbe ประมาณ 36 ในขณะที่แก้วมงกุฎบอโรซิลิเกตมีค่าใกล้เคียง 64

ในเลนส์กล้อง การกระจายตัวสูงมักไม่เป็นที่พึงปรารถนา เนื่องจากจะทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนสี โดยที่สีต่างๆ จะโฟกัสไปที่ระยะห่างที่ต่างกันเล็กน้อย และทำให้เกิดขอบหรือภาพเบลอ นักออกแบบเลนส์จงใจรวมองค์ประกอบที่ทำจากกระจกที่มีการกระจายแสงสูงและต่ำเพื่อยกเลิกข้อผิดพลาดของสี ซึ่งเป็นเทคนิคที่เรียกว่าการแก้ไขสีไม่มีสี

อย่างไรก็ตาม ในปริซึมสเปกโตรมิเตอร์ การกระจายตัวสูงคือสิ่งที่คุณต้องการอย่างแน่นอน ยิ่งการกระจายตัวมากเท่าไร สเปกตรัมก็จะยิ่งกระจายมากขึ้นเท่านั้น ทำให้แยกแยะความยาวคลื่นที่มีระยะห่างใกล้เคียงกันได้ง่ายขึ้น

ประเด็นสำคัญ

ปริซึมจะแยกแสงสีขาวออกเป็นสเปกตรัม เนื่องจากแก้วจะชะลอความยาวคลื่นที่แตกต่างกันด้วยปริมาณที่ต่างกัน ส่งผลให้แต่ละสีหักเหในมุมที่ไม่ซ้ำกัน รูปทรงสามเหลี่ยมของปริซึมช่วยให้แน่ใจว่าการหักเหของแสงทั้งเข้าและออกทำให้แสงโค้งงอไปในทิศทางเดียวกัน ซึ่งเป็นการขยายการแยกตัว ผลที่ได้คือรุ้งกินน้ำที่มองเห็นได้ตั้งแต่สีแดงที่ปลายน้ำตื้นไปจนถึงสีม่วงที่ปลายสูงชัน

1. การหักเหของแสง ทำให้แสงโค้งงอเมื่อเคลื่อนที่ระหว่างวัสดุที่มีความหนาแน่นของแสงต่างกัน
2. การกระจายตัว ทำให้ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันโค้งงอตามปริมาณที่ต่างกันภายในวัสดุเดียวกัน
3. รูปร่างปริซึมจะรวมการหักเหของแสงที่พื้นผิวทั้งสอง ทำให้เกิดการแยกสีที่มองเห็นได้
4. กระบวนการนี้สามารถย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์ ดังที่นิวตันพิสูจน์โดยการรวมสเปกตรัมใหม่ด้วยปริซึมที่สอง
5. ปริซึมถูกนำมาใช้ในสเปกโทรสโกปี ระบบการถ่ายภาพ กล้องส่องทางไกล และโทรคมนาคม ไม่ใช่แค่ในการสาธิตในชั้นเรียน