Lăng kính

Lăng kính là một dụng cụ quang học, sử dụng để khúc xạ, phản xạ và tán xạ ánh sáng sang các màu quang phổ (như màu sắc của cầu vồng). Lăng kính thường được làm theo dạng kim tự tháp đứng, có đáy là hình tam giác.

Tia sáng đi từ một môi trường (như môi trường không khí) sang một môi trường khác (như thủy tinh trong lăng kính), nó sẽ bị chậm lại, và giống như kết quả, nó sẽ hoặc bị cong (khúc xạ) hoặc bị phản xạ hoặc đồng thời xảy ra cả hai hiện tượng trên. Góc mà tia sáng hợp với trục thẳng góc tại điểm mà tia sáng đi vào trong lăng kính được gọi là góc tới, và góc tạo ra ở đầu bên kia, qua quá trình khúc xạ được gọi là góc ló. Tương tự, tia sáng đi vào trong lăng kính được gọi là tia tới và tia sáng đi ra ngoài lăng kính được gọi là tia ló.

Các lăng kính phản xạ được sử dụng để phản xạ ánh sáng, ví dụ như các ống nhòm, vì, nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần, chúng dễ dàng được sử dụng hơn là các gương. Các lăng kính tán sắc được sử dụng để chia ánh sáng thành các thành phần quang phổ màu, bởi vì độ khúc xạ của chúng phụ thuộc vào bước sóng của tia sáng (hiện tượng tán sắc); khi một tia sáng trắng đi vào trong lăng kính, nó có một góc tới xác định, trải qua quá trình khúc xạ, và phản xạ bên trong lăng kính, dẫn đến việc tia sáng bị bẻ cong, hay gập khúc, và vì vậy, màu sắc của tia sáng ló sẽ khác nhau. Ánh sáng màu xanh có bước sóng nhỏ hơn ánh sáng màu đỏ và vì vậy nó cong hơn so với ánh sáng màu đỏ. Cũng có loại lăng kính phân cực, nó có thể chia ánh sáng thành các thành phần phân cực khác nhau.

Isaac Newton là người đầu tiên cho rằng các lăng kính có thể chia ánh sáng ra các màu từ ánh sáng trắng. Newton đã đặt một lăng kính thứ hai, nơi mà các ánh sáng sau khi tán sắc sẽ đi vào trong nó, và tìm thấy rằng, các màu sắc không hề thay đổi. Ông ấy kết luận các lăng kính phân chia các màu sắc. Ông còn sử dụng một thấu kính, giống như một lăng kính thứ hai để tạo ra cầu vồng từ ánh sáng trắng.

Các loại lăng kính
Lăng kính tán xạ
Lăng kính tán xạ được dùng để phân tách ánh sáng đa sắc thành những tia sáng đơn sắc, phụ thuộc vào tần sô của ánh sáng chiếu vào nó. Các loại lăng kính tán xạ:

Lăng kính tam giác
Lăng kính Abbe
Lăng kính Pellin-Broca
Lăng kính Amici

Lăng kính phản xạ
Lăng kính phản xạ được dùng để phản xạ ánh sáng, dùng trong máy ảnh và ống nhòm.

Lăng kính ngũ giác (lăng kính năm mặt)
Lăng kính Porro
Lăng kính Porro-Abbe
Lăng kính Abbe-Koenig
Lăng kính Schmidt-Pechan
Lăng kính Dove
Lăng kính Dichroic
Lăng kính Amici roof

Lăng kính phân cực
Lăng kính phân cực có thể chia chùm sáng thành phần khác nhau. Chúng thường được chế tạo từ vật liệu phân cực.
Lăng kính Nicol
Lăng kính Wollaston
Lăng kính Rochon
Lăng kính Glan-Foucault
Lăng kính Glan-Taylor
Lăng kính Glan-Thompson

Các công thức
Trường hợp tổng quát

Khi một tia sáng đi vào trong một lăng kính, tại điểm tới I, nó sẽ tạo ra góc tới với phương pháp tuyến (đường thẳng vuông góc với mặt phẳng của lăng kính tại điểm tới I), gọi là i_1, một phần của ánh sáng sẽ phản xạ, phần còn lại đi vào trong lăng kính, được gọi là hiện tượng khúc xạ. Tia sáng sẽ bị gập khúc, hoặc khuỳnh ra tùy theo môi trường của lăng kính, vì thế nó sẽ tạo ra một góc lệch, gọi là r_1. Ánh sáng tiếp tục đi đến mặt lăng kinh bên kia, quá trình phản xạ và khúc xạ lại diễn ra tương tự, với môi trường ngược lại. Kết quả, nó sẽ tạo ra góc lệch r_2 và góc ló i_2. Công thức tổng quát đó là:
\sin(i_1) = n \sin(r_1)
\sin(i_2) = n \sin(r_2)
\hat{A} = r_1 + r_2
Góc lệch: \hat{D} = i_1 + i_2 - \hat{A}

Với n là chiết suất lăng kính đối với mặt ngoài.

Trường hợp góc nhỏ
Khi góc \hat{A} và i_1 đều nhỏ (ở đây nhỏ ý chỉ khoảng ≪ 10 độ), thì mọi góc khác r_1, r_2, i_2, \hat{D} cũng nhỏ, vì thế ta có:
i_1 = n r_1
i_2 = n r_2
\hat{A} = r_1 + r_2
\hat{D} = \hat{A}(n-1)

Chiều lệch của tia sáng
n > 1: Lệch về đáy lăng kính, trường hợp này thường diễn ra.
n : Lệch về đỉnh lăng kính, trường hợp này ít gặp

Độ lệch cực tiểu
Điều kiện: i_1 = i_2 \Leftrightarrow \hat{D_\text{min}}

Khi ấy: \hat{A} = 2r_1 và \hat{D_\text{min}} = 2i_1 - \hat{A}

Và chiết suất được tính theo công thức:
n = \frac{\sin(\frac{D_\text{min} + A}{2})}{\sin\frac{A}{2}}

Điều kiện có tia ló
i_1 \le i_o với \sin i_0 = n \sin(A -i')
Chỉ tính được i_0 nếu \hat{A} \ge 2 i'
Khi \hat{A} thì mặt thứ hai của lăng kính luôn luôn phản xạ.

Ảnh cho bởi lăng kính

Chỉ có ảnh rõ nét nếu:
Chùm tia tới là một chùm nhỏ đến gần đỉnh
Góc tới trung bình của chùm tới ứng với độ lệch cực tiểu
Ảnh và vật cách đều A và hợp với A góc D_\text{min}

Các bài toán về lăng kính
Vẽ đường đi của tia sáng
Trường hợp có góc D cực tiểu
Lăng kính kết hợp với một quang cụ khác
Lăng kính tiếp xúc với nhiều môi trường khác nhau
Thư viện ảnh

Image:Prism-rainbow.svg
Image:Dispersion prism.jpg
Image:Prisma-lightSpectrum-goethe.gif
Image:Prisma-darkSpectrum-goethe.gif

Image:Refraction varies by frequency.gif
Image:Path_of_rays_in_a_hexagonal_prism.png
Image:Hexagonal_prism_alternative_path_of_rays.png
Image:PrismLens0deg.gif

Image:PrismLens90deg.gif
Image:Light Deflection in Prism Glass.png
Image:Prism Glass Schema.png

Tham khảo