棱镜

什么是棱镜？

光学棱镜是一种由玻璃或其他透明材料制成的具有平坦、光滑表面的物体，主要用于反射光线。至少有一个表面必须是倾斜的——两个平行表面的物体不算棱镜。最常见的光学棱镜是三角棱镜，它的底面为三角形，侧面为矩形。并非所有光学棱镜都是几何棱镜，也并非所有几何棱镜都算作光学棱镜。棱镜可以由任何对其设计波长透明的材料制成。典型材料包括玻璃、丙烯酸和萤石。色散棱镜可用于将白光分解为其组成的光谱颜色，即彩虹的颜色，如下节所述。上图所示的普通三角棱镜可以将白光分离为其组成颜色，称为光谱。当光束遇到棱镜的表面时，光速略微减慢。这种减速改变了光的传播角度。光在棱镜出口时再次弯曲。两个表面之间的角度称为折射角，而介质弯曲光线的程度则称为折射率。构成白光的每种颜色或波长的折射程度不同；波长较短的颜色（即靠近紫色端的颜色）折射程度最大，而波长较长的颜色（即靠近红色端的颜色）折射程度最小。这种棱镜用于某些光谱仪中，光谱仪是用于分析光线并确定发射或吸收光的材料的身份和结构的仪器。

棱镜的构造

棱镜是一个固体物体，具有相同的平坦面和沿其长度相同的横截面。然而，在几何学中，棱镜是一个多面体，由一个n边多边形底面、一个不旋转的平移副本作为第二底面和n个其他面（全部为平行四边形）组成，连接两个底面的相应边。棱镜有两种类型的面。顶部和底部面是相同的，称为基面。棱镜的名称源于这些基面的形状。例如，如果一个棱镜的底面是三角形，则称为三角棱镜；如果棱镜的底面是五边形，则称为五边棱镜。所有与基面平行的横截面都是基面的平移。棱镜的顶部和底部以外的面称为侧面。棱镜还可以通过内部反射改变光的传播方向，因此在双筒望远镜中非常有用。在这里，内部反射意味着当光从光学密度较大的介质进入光学密度较小的介质时，它在界面处部分反射回同一介质，并部分折射到第二个介质中。

棱镜的类型

以下不同类型的棱镜可用于反射光线，或将光线分解为不同偏振的成分。

阿米奇棱镜

阿米奇棱镜由两个接触的三角棱镜组成，第一个通常由中等色散的冠玻璃制成，第二个则由高色散的水晶玻璃制成。冠玻璃是一种用于透镜和其他光学元件的光学玻璃，折射率相对较低（≈1.52），而水晶玻璃的折射率范围在1.45到2.00之间。阿米奇棱镜以天文学家乔瓦尼·巴蒂斯塔·阿米奇的名字命名，是一种复合色散棱镜，常用于光谱仪中。光进入第一个棱镜时，在第一个空气-玻璃界面折射，在两个棱镜之间的界面再次折射，然后在接近法线入射的情况下从第二个棱镜出口。棱镜的角度和材料选择使得一种波长的光（中心波长）平行于入射光束从棱镜出口。因此，棱镜组件是一种直视棱镜，通常在手持光谱仪中使用。

可以将这种类型的棱镜背靠背地与其反射副本连接，形成三棱镜排列，称为双阿米奇棱镜，如上图所示。这种原始棱镜的双重结构增加了组件的角色散，并且具有一个有用的特性，即中心波长被折射回入射光束的直线方向。中心波长的出口光线不仅没有偏离入射光线，而且在路径上也没有位移或偏移。

佩林-布罗卡棱镜

该棱镜由一个四边形的玻璃块组成，形状为直角棱镜，端面具有90°、75°、135°和60°的角度。光通过AB面进入棱镜，如下图所示，经过BC面发生全内反射，并通过AD面出口。全内反射是一种光学现象，其中从一种介质到另一种介质的波在到达界面时并未折射进入第二介质，而是完全反射回第一介质。光进入和退出棱镜时的折射使得某一特定波长的光正好偏转90°。当棱镜围绕O轴旋转时，∠BAD的平分线与反射面BC的交线所选波长的偏转90°会发生变化，而不改变输入和输出光束的几何形状或相对位置。

该棱镜通常用于从包含多个波长的光束中分离出所需的单一波长，例如多波长激光中的特定输出线，因为它能够在经历非线性频率转换后仍能分离光束。因此，它们也常用于光学原子光谱学中。

利特罗棱镜

利特罗棱镜或利特罗光谱仪或利特罗镜由奥托·冯·利特罗（1843—1864）设计，是一种反射型色散棱镜，即其表面、材料或设备将光或其他辐射反射回其源头。它的排列方式使得以布鲁斯特角进入的入射光束发生最小偏转，从而实现最大色散。布鲁斯特角，也称为偏振角，是指特定偏振的光通过透明电介质表面时完全透过而没有反射的入射角。利特罗棱镜通常为30°/60°/90°棱镜，表面与60°角相对的一面涂有反射膜。通常，利特罗棱镜用于激光器的光学腔末端，通过改变入射角来精细调整激光输出频率。

阿贝棱镜 

阿贝棱镜以其发明者德国物理学家恩斯特·阿贝的名字命名。该棱镜由一个形成直角棱镜的玻璃块构成，具有30°–60°–90°的三角形。当使用时，光束通过AB面进入，折射并在BC面发生全内反射，然后在AC面再次折射，如上图所示。该棱镜的设计使得一种特定波长的光以相对于光的原始路径偏转60°的角度从棱镜出口。这是棱镜的最小偏转，所有其他波长的偏转角都大于此。通过在图示平面内围绕AB面上的任意点O旋转棱镜，可以选择偏转60°的波长。

波罗棱镜 

波罗棱镜是一种反射棱镜，用于光学仪器中改变图像的方向。它由一个形状类似于直角几何棱镜的材料块组成，端面为直角三角形，如下图所示。在操作中，光通过棱镜的大矩形面进入，经过斜面两次全内反射，再次通过大矩形面出口。当光以法线入射角进入和退出玻璃时，棱镜则不发生色散。通过波罗棱镜传播的图像旋转180°并以偏移的方向出口，与其入射点相反。

虽然可以构建单个波罗棱镜使其性能与屋顶棱镜相当，但通常不这样使用。因此，为了降低波罗棱镜的生产成本，通常会省略屋顶的边缘。有时仅在一个小窗口作为入口表面和一个窗口作为出口表面进行抛光。屋顶棱镜与波罗棱镜的区别在于，屋顶棱镜的屋顶边缘位于入射光束和出口光束形成的同一平面内，而波罗棱镜的省略屋顶边缘则与光束形成的平面正交。此外，屋顶棱镜没有位移，偏转通常在45°到90°之间，而单个波罗棱镜的光束通常偏转180°并偏移至少一个光束直径的距离。波罗棱镜可以以非平行于光轴的方式反射光线，使其在棱镜的斜边上发生内部反射。这样的非轴向光线经过第三次反射后从棱镜中射出，从而引入非成像的杂散光并降低对比度。通过在棱镜的斜边中心开槽或缺口，可以消除非轴向反射，从而阻止这些有害反射。波罗棱镜广泛应用于许多光学观察仪器，如潜望镜、双筒望远镜和单筒望远镜。

尼科尔棱镜

尼科尔棱镜是一种偏振器，属于光学设备，由方解石晶体制成，用于产生和分析平面偏振光，它由所有波的振动方向相同的波组成。尼科尔棱镜由两个特别切割的方解石棱镜用一种称为加拿大香脂的粘合剂粘合在一起。该棱镜仅传输一个方向振动的波，从而从普通光中产生平面偏振光束。

一束未偏振的光线通过晶体的左侧进入，如上图所示，并通过方解石的双折射特性被分成两个正交偏振、方向不同的光线。普通光线或o光线在方解石中的折射率为no = 1.658，由于其在胶层的入射角超过了临界角，因此在方解石-胶界面发生全内反射。它以一定的折射率通过棱镜的上半部分的顶部侧面射出。非常光线或e光线在方解石晶体中经历较低的折射率（ne = 1.486），并在界面处以亚临界角入射，因此不会在界面处反射。e光线仅在通过界面进入棱镜的下半部分时发生轻微折射或弯曲。它最终作为平面偏振光射出棱镜，经过再次折射后从棱镜的最右侧射出。这两条射出光线在正交方向上偏振，但下方的e光线更常用于进一步实验，因为它再次朝着原来的水平方向传播，假设方解石棱镜的角度已正确切割。上方的o光线的方向与其原始方向大相径庭，因为它仅在胶界面处发生全内反射，并在从棱镜的上侧出口时经历最终折射。尼科尔棱镜广泛用于矿物显微镜和偏振计中。

鸽子棱镜

鸽子棱镜是一种反射棱镜，用于翻转图像。鸽子棱镜的形状来自一个截断的直角棱镜。该棱镜的形状类似于下面描述的鸠尾榫的形状。

一束沿纵轴平行传播的光线通过棱镜的一个斜面进入，经过底面最长的内侧发生全内反射，并从对面的斜面射出。经过棱镜的图像被翻转为镜像，并且由于仅发生一次反射，图像也被翻转但不发生横向位移。

在聚光光线中，入口和出口表面的折射会导致显著的图像散光。因此，鸽子棱镜几乎仅用于在无穷远处出现的图像。散光是由于偏离球面曲率而导致的镜头缺陷，导致图像失真，因为光线无法在一个共同焦点处会聚。

乌本达尔棱镜

乌本达尔棱镜是一种直立棱镜，即一种特殊的反射棱镜，用于翻转图像（旋转180°）。该直立系统由三个高折射率光学玻璃的部分棱镜粘合在一起，形成对称组件，用于显微镜和双筒望远镜技术。

乌本达尔棱镜系统由三个粘合的棱镜组成，具有两个玻璃/空气的过渡面。光束通过第一个棱镜时，光束（红色）首先在涂有金属或介电涂层（镜面）的表面上反射，并发生全内反射。光束的其他反射通过无损全内反射进行。第二个棱镜是90°反射，不需要镜面涂层。为了实现图像的完全反转，第三个棱镜（绿色）上磨制了一个屋顶边缘。此外，光束在离开翻转系统时不会有轴向偏移，这就是为什么乌本达尔棱镜被视为直视屋顶棱镜。六次反射的净效果（两次反射发生在屋顶平面上）。由于光线被反射偶数次，这导致180°图像旋转而不改变图像的手性，并允许将棱镜用作图像翻转系统，以在垂直和水平方向上翻转图像。

该棱镜系统的一个优点是光束仅通过两个空气与玻璃之间的过渡，从而最大限度地减少了因菲涅尔反射而造成的损失。在菲涅尔反射中，当光束（例如激光束）到达两个不同透明介质之间的界面时，光束部分透射到另一个介质，部分反射回原介质。

棱镜的应用

棱镜用于分离在玻璃内部以不同速度传播的不同颜色的光。由于光的颜色以不同的速度传播，因此它们的弯曲程度不同，最终呈现出分散的效果，而不是混合在一起。紫色光传播得最慢，因此它位于底部，而红色光传播得最快，因此它位于顶部。这是因为折射率（真空中光速与材料中光速的比率）对于较慢运动的波（即紫色光）增大。较高的折射率意味着紫光弯曲程度最大，红光因其较低的折射率而弯曲程度最小，其他颜色则介于两者之间。当空气中充满水时，例如在雨后，水滴就像棱镜一样，可以形成彩虹。彩虹是圆形的，因为形成它们的棱镜（水滴）是球形的。这种类型的棱镜用于某些光谱仪和分析光的仪器，用于确定发射或吸收光的材料的身份和结构。