Optisches Dreiecksprisma

Was ist ein optisches Prisma?

Ein optisches Prisma ist ein transparentes optisches Element mit flachen, polierten Oberflächen, die das Licht brechen. Mindestens eine Fläche muss gewinkelt sein – Elemente mit zwei parallelen Flächen sind keine Prismen. Die traditionelle geometrische Form eines optischen Prismas ist die eines Dreiecksprismas mit dreieckiger Grundfläche und rechteckigen Seiten, und in der Umgangssprache bezieht sich der Begriff „Prisma“ gewöhnlich auf diesen Typ. Einige Arten von optischen Prismen haben nicht die Form eines geometrischen Prismas. Prismen können aus jedem Material hergestellt werden, das für die Wellenlängen, für die sie bestimmt sind, transparent ist. Typische Materialien sind Glas, Kunststoff und Fluorit.

(Bild eines Prismas)

Ein dispersives Prisma kann dazu verwendet werden, weißes Licht in seine einzelnen Spektralfarben (die Farben des Regenbogens) aufzuteilen. Darüber hinaus können Prismen dazu verwendet werden, Licht zu reflektieren oder in Komponenten mit unterschiedlicher Polarisation aufzuteilen.

Eine bemerkenswerte Eigenschaft von Prismen ist ihre Fähigkeit, als ein System von ebenen Spiegeln modelliert zu werden, um die Reflexion von Licht innerhalb des Prismenmediums zu simulieren. Das Ersetzen von Spiegeln ist vielleicht die nützlichste Anwendung von Prismen, da sie sowohl das Licht beugen oder falten als auch die Bildparität ändern. Oft werden mehrere Spiegel benötigt, um ähnliche Ergebnisse wie mit einem einzelnen Prisma zu erzielen. Durch die Verwendung eines Prismas anstelle mehrerer Spiegel werden mögliche Ausrichtungsfehler reduziert, die Genauigkeit erhöht und die Größe und Komplexität eines Systems verringert.

Wie Prismen funktionieren？

Ein dreieckiges Prisma, das Licht zerstreut; die dargestellten Wellen verdeutlichen die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts.

Das Licht ändert seine Geschwindigkeit, wenn es sich von einem Medium in ein anderes bewegt (z. B. von der Luft in das Glas des Prismas). Diese Geschwindigkeitsänderung führt dazu, dass das Licht gebrochen wird und in einem anderen Winkel in das neue Medium eintritt (Huygens-Prinzip). Wie stark der Weg des Lichts gekrümmt wird, hängt von dem Winkel ab, den der einfallende Lichtstrahl mit der Oberfläche einnimmt, sowie vom Verhältnis der Brechungsindizes der beiden Medien (Snellsches Gesetz). Der Brechungsindex vieler Materialien (z. B. Glas) variiert mit der Wellenlänge oder der Farbe des verwendeten Lichts, ein Phänomen, das als Dispersion bezeichnet wird. Dies führt dazu, dass Licht in verschiedenen Farben unterschiedlich gebrochen wird und das Prisma in verschiedenen Winkeln verlässt, was einen regenbogenähnlichen Effekt erzeugt. Auf diese Weise lässt sich ein weißer Lichtstrahl in seine einzelnen Farbspektren zerlegen. Eine ähnliche Aufteilung erfolgt bei schillernden Materialien, wie z. B. einer Seifenblase. Prismen streuen das Licht im Allgemeinen über eine viel größere Frequenzbandbreite als Beugungsgitter, was sie für die Spektroskopie mit einem breiten Spektrum nützlich macht. Außerdem gibt es bei Prismen keine Komplikationen, die sich aus überlappenden spektralen Ordnungen ergeben, wie dies bei allen Gittern der Fall ist.

Prismen werden manchmal eher für die interne Reflexion an den Oberflächen als für die Dispersion verwendet. Trifft das Licht im Inneren des Prismas in einem ausreichend steilen Winkel auf eine der Oberflächen, kommt es zur internen Totalreflexion und das gesamte Licht wird reflektiert. Dies macht ein Prisma in manchen Situationen zu einem nützlichen Ersatz für einen Spiegel.

Geschichte des Prismas

Wie viele geometrische Grundbegriffe wurde auch das Wort Prisma (griechisch: πρίσμα, romanisiert: prisma, wörtlich: „etwas Gesägtes“) erstmals in Euklids Elementen verwendet. Euklid definierte den Begriff in Buch XI als „eine feste Figur, die von zwei gegenüberliegenden, gleichen und parallelen Ebenen eingeschlossen wird, während der Rest Parallelogramme sind“, doch die neun nachfolgenden Sätze, in denen der Begriff verwendet wurde, enthielten Beispiele für Prismen auf Dreiecksbasis (d. h. mit Seiten, die keine Parallelogramme waren). Diese Unstimmigkeit sorgte bei späteren Geometern für Verwirrung.

René Descartes hatte gesehen, wie das Licht durch Glas oder Wasser in die Farben des Regenbogens zerlegt wurde, obwohl die Quelle der Farbe unbekannt war. Isaac Newtons Experiment aus dem Jahr 1666, bei dem er weißes Licht durch ein Prisma bog, zeigte, dass alle Farben bereits im Licht vorhanden waren, wobei sich die verschiedenen Farbkörperchen“ auffächerten und mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch das Prisma wanderten. Erst später kombinierten Young und Fresnel die Newtonsche Teilchentheorie mit der Huygensschen Wellentheorie, um zu erklären, wie die Farbe aus dem Lichtspektrum entsteht.

Newton kam zu seiner Schlussfolgerung, indem er die rote Farbe aus einem Prisma durch ein zweites Prisma leitete und feststellte, dass die Farbe unverändert blieb. Daraus schloss er, dass die Farben bereits im einfallenden Licht vorhanden sein mussten – das Prisma erzeugte also keine Farben, sondern trennte lediglich Farben, die bereits vorhanden waren. Er benutzte auch eine Linse und ein zweites Prisma, um das Spektrum wieder in weißes Licht umzuwandeln. Dieses Experiment ist ein klassisches Beispiel für die Methodik, die während der wissenschaftlichen Revolution eingeführt wurde. Die Ergebnisse des Experiments veränderten das Feld der Metaphysik dramatisch und führten zu John Lockes Unterscheidung zwischen primärer und sekundärer Qualität[citation needed]

Newton diskutierte die Prismenzerstreuung sehr ausführlich in seinem Buch Opticks. Er führte auch die Verwendung von mehr als einem Prisma ein, um die Streuung zu kontrollieren. Newtons Beschreibung seiner Experimente zur Prismenstreuung war qualitativ. Eine quantitative Beschreibung der Mehrfachprismenstreuung wurde erst benötigt, als in den 1980er Jahren Laserstrahlaufweiter mit mehreren Prismen eingeführt wurden.