BK7 Hoekprisma

Wat is een optisch prisma?

Een optisch prisma is een transparant optisch element met platte, gepolijste oppervlakken die licht breken. Ten minste één oppervlak moet schuin zijn – elementen met twee evenwijdige oppervlakken zijn geen prisma’s. De traditionele geometrische vorm van een optisch prisma is die van een driehoekig prisma met een driehoekige basis en rechthoekige zijden, en in het spraakgebruik verwijst “prisma” meestal naar dit type. Sommige soorten optische prisma’s hebben in feite niet de vorm van een geometrische prisma. Prisma’s kunnen worden gemaakt van elk materiaal dat transparant is voor de golflengten waarvoor ze zijn ontworpen. Typische materialen zijn glas, plastic en fluoriet.

(Afbeelding van prisma)

Een dispersief prisma kan worden gebruikt om wit licht op te splitsen in de samenstellende spectrale kleuren (de kleuren van de regenboog). Verder kunnen prisma’s worden gebruikt om licht te weerkaatsen of om licht op te splitsen in componenten met verschillende polarisaties.

Een opmerkelijke eigenschap van prisma’s is dat ze kunnen worden gemodelleerd als een systeem van vlakke spiegels om de weerkaatsing van licht binnen het prismamedium te simuleren. Het vervangen van spiegelsamenstellingen is misschien wel de nuttigste toepassing van prisma’s, omdat ze licht zowel buigen of plooien als de beeldpariteit veranderen. Vaak zijn er meerdere spiegels nodig om resultaten te bereiken die vergelijkbaar zijn met een enkel prisma. Daarom vermindert de vervanging van meerdere spiegels door één prisma potentiële uitlijningsfouten, waardoor de nauwkeurigheid toeneemt en de grootte en complexiteit van een systeem geminimaliseerd wordt.

Hoe prisma’s werken？

Een driehoekig prisma dat licht verspreidt; golven worden getoond om de verschillende golflengten van licht te illustreren.

Licht verandert van snelheid als het van het ene medium naar het andere beweegt (bijvoorbeeld van lucht naar het glas van het prisma). Deze snelheidsverandering zorgt ervoor dat het licht wordt gebroken en onder een andere hoek het nieuwe medium binnengaat (Huygensprincipe). De mate waarin het pad van het licht wordt afgebogen hangt af van de hoek die de invallende lichtstraal maakt met het oppervlak en van de verhouding tussen de brekingsindices van de twee media (wet van Snell). De brekingsindex van veel materialen (zoals glas) varieert met de golflengte of kleur van het gebruikte licht, een fenomeen dat dispersie wordt genoemd. Dit zorgt ervoor dat licht van verschillende kleuren anders gebroken wordt en het prisma onder verschillende hoeken verlaat, waardoor een effect ontstaat dat lijkt op een regenboog. Dit kan worden gebruikt om een bundel wit licht te scheiden in zijn samenstellende kleurenspectrum. Een soortgelijke scheiding gebeurt met iriserende materialen, zoals een zeepbel. Prisma’s verspreiden licht over het algemeen over een veel grotere frequentiebandbreedte dan diffractieroosters, waardoor ze nuttig zijn voor spectroscopie met een breed spectrum. Bovendien hebben prisma’s geen last van complicaties door overlappende spectrale ordes, die alle roosters wel hebben.

Prisma’s worden soms gebruikt voor de interne reflectie aan de oppervlakken in plaats van voor dispersie. Als licht binnen het prisma onder een voldoende steile hoek op een van de oppervlakken valt, treedt totale interne reflectie op en wordt al het licht gereflecteerd. Hierdoor is een prisma in sommige situaties een nuttige vervanger van een spiegel.

Stralenbaan van een prisma met een rechte hoek

Geschiedenis van het prisma

Een driehoekig prisma dat licht verspreidt

Zoals veel meetkundige basisbegrippen werd het woord prisma (Grieks: πρίσμα, geromaniseerd: prisma, letterlijk ‘iets gezaagd’) voor het eerst gebruikt in de Elementen van Euclides. Euclides definieerde de term in Boek XI als “een vaste figuur die bestaat uit twee tegenover elkaar liggende, gelijke en evenwijdige vlakken, terwijl de rest parallellogrammen zijn”, maar de negen daaropvolgende stellingen die de term gebruikten, bevatten voorbeelden van prisma’s op basis van driehoeken (d.w.z. met zijden die geen parallellogrammen waren). Deze inconsistentie veroorzaakte verwarring onder latere meetkundigen.

René Descartes had licht gezien dat door glas of water werd gescheiden in de kleuren van de regenboog,[4] hoewel de bron van de kleur onbekend was. Isaac Newtons experiment in 1666 met het buigen van wit licht door een prisma toonde aan dat alle kleuren al in het licht aanwezig waren, met verschillende kleuren “bloedlichaampjes” die uitwaaierden en met verschillende snelheden door het prisma reisden. Pas later combineerden Young en Fresnel de deeltjestheorie van Newton met de golftheorie van Huygens om te verklaren hoe kleur ontstaat uit het spectrum van licht.

Newton kwam tot zijn conclusie door de rode kleur van het ene prisma door een tweede prisma te laten gaan en ontdekte dat de kleur onveranderd bleef. Hieruit concludeerde hij dat de kleuren al aanwezig moesten zijn in het binnenkomende licht – het prisma creëerde dus geen kleuren, maar scheidde alleen kleuren die er al waren. Hij gebruikte ook een lens en een tweede prisma om het spectrum weer samen te stellen tot wit licht. Dit experiment is een klassiek voorbeeld geworden van de methodologie die tijdens de wetenschappelijke revolutie werd geïntroduceerd. De resultaten van het experiment veranderden de metafysica ingrijpend en leidden tot het onderscheid tussen primaire en secundaire kwaliteit van John Locke.

Newton besprak prismadispersie tot in detail in zijn boek Opticks. Hij introduceerde ook het gebruik van meer dan één prisma om dispersie te controleren. Newtons beschrijving van zijn experimenten met prismadispersie was kwalitatief. Een kwantitatieve beschrijving van dispersie door meerdere prisma’s was pas nodig toen lasers met meerdere prisma’s in de jaren 1980 werden geïntroduceerd.