Lăng kính – Dụng cụ có nhiều ứng dụng trong sản xuất

Lăng kính không chỉ được sử dụng trong các lĩnh vực như chế tạo máy ảnh và ống nhòm mà còn được dùng vào những công nghệ kỹ thuật như máy quang phổ. Tuy nhiên lại rất ít người biết về cách hoạt động cũng như cấu tạo của dụng cụ này và lý do tại sao nó lại có nhiều để ứng dụng đến như thế. 

Thế nào là một lăng kính?

Đây là dụng cụ quang học có rất nhiều ứng dụng hữu ích trong khoa học và đời sống. Cho nên cũng có nhiều loại khác nhau và mỗi loại ứng với một công dụng riêng. Lăng kính là gì và có bao nhiêu loại, hãy cùng khám phá qua những nội dung dưới đây.

Tìm hiểu về lăng kính

Lăng kính là một loại dụng cụ quang học có hình dạng là một khối kim tự tháp đứng trong suốt và đồng chất thường được làm bằng nhựa hoặc thuỷ tinh. Nó được dùng để khúc xạ, phản xạ ánh sáng sang các màu có trong quang phổ như màu của cầu vồng. Điều này giúp người sử dụng có thể dễ dàng phân tách các tia sáng khác nhau khi chúng có chung một nguồn sáng.

Khi một tia sáng trắng đi vào bên trong dụng cụ quang phổ này, nó sẽ trải qua quá trình khúc xạ hoặc phản xạ. Việc này dẫn đến tia sáng bị cong (hoặc gấp khúc)và làm cho tia sáng ló có màu sắc khác nhau. Đây chính hoạt động của lăng kính.

Có bao nhiêu loại lăng kính?

Theo chức năng, dụng cụ quang phổ này được chia làm các loại tán xạ, khúc xạ và phân cực. Mỗi loại đều có chức năng và được ứng vào để nghiên cứu, sản xuất các sản phẩm phục phục cho lợi ích của con người. Dưới đây là một vài loại lăng kính thông dụng và phổ biến nhất trong đời sống.

Pellin -Broca

Pellin – Broca được sử dụng được định hướng chùm sáng ở góc 90 độ so với hướng đến hoặc là được dùng để làm gương phản xạ lại chùm sáng ở góc 180 độ. Đây là loại lăng kính tán sắc đều phổ biến và được sử dụng nhiều nhất.

Amici

Được đặt theo tên của nhà thiên văn học Amici. Đây là một loại dụng cụ quang phổ tán sắc thường được dùng trong quang phổ kế, gồm 2 hình lăng trụ tam giác tiếp xúc với nhau. Một mặt được làm bằng thuỷ tinh crown có chất lượng tán sắc trung bình và mặt còn lại là thuỷ tinh flin với chất lượng tán sắc tốt hơn.

Porro

Porro là loại lăng kính dùng để thay đổi hướng quay của hình ảnh. Nó được cấu tạo gồm một khối có dạng tam giác vuông đứng với chất liệu là thuỷ tinh. Ảnh được tạo bởi dụng cụ quang học này bị quay ngược 180 độ đo được phản xạ hai lần.

Đây là dụng cụ quang phổ thường được dùng để đổi gốc hình ảnh hay đảo chiều hình ảnh. Chúng thường được ứng dụng nhiều nhất để xem trong các loại kính thiên văn và ống nhòm. 

Porro kép

Porro kép là loại lăng kính porro được dùng theo cặp. Kính thứ hai sẽ được đặt quay góc 90 độ so với lăng kính thứ nhất để tia sáng đi qua cả hai kính. Kết quả cuối cùng là hình ảnh vẫn bị quay ngược 180 độ..

Porro-Abbe

Được cấu tạo từ một khối thủy tinh có dạng như 4 lăng kính phản xạ góc vuông và áp mặt vào nhau theo kiểu vặn xoắn. Khi ánh sáng đi qua sẽ được phản 4 lần ở những mặt nghiêng và ra ở một mặt phẳng bên cạnh. Hình ảnh được tạo ra sẽ là hình ảnh quay ngược 180 nhưng sẽ không bị lật sang trái hay sang phải nhờ số lần phản xạ là số chẵn.

Lăng kính Glan-Taylor

Được tạo thành từ 2 tam giác vuông, bên trên bề mặt có khe hở không khí. Những trục quan của tinh thể làm bằng canxi được xếp song song với mặt phẳng xạ sao cho khi phản xạ toàn phần xảy ra thì chỉ có những ánh sáng phân cực p mới có thể truyền qua thiết bị.

Thành phần tạo nên bạn cần biết 

Đây là một dụng cụ quang phổ có nguyên lý hoạt động khá phức tạp nhưng lại có cấu tạo khá đơn giản. Cho nên để tạo nên một lăng kính tốt và chất lượng, bạn chỉ cần những yếu tố dưới đây.

• Khối nhựa hoặc thuỷ tinh để tạo nên dụng cụ quang phổ này.

• Các mặt cạnh bên của nó

  là hai mặt giới hạn và không song song.

• Cạnh là giao tuyến của hai mặt bên

• Đáy của dụng cụ quang phổ này là mặt đối diện với cạnh

• Góc ở đỉnh hay còn gọi là góc chiết quang là góc được hợp bởi hai mặt nó.

• Những yếu tố đặc trưng của dụng cụ quang phổ này

  về phương diện quang học là: góc chiết quang a và chiết suất n.

Tìm hiểu về hiện tượng tán sắc ánh sáng trắng

Khi một chùm ánh sáng trắng (ánh sáng mặt trời) đi qua dụng cụ quang phổ này sẽ bị phân tích thành nhiều chùm ánh sáng khác nhau (ánh sáng quang phổ). Đo chiết suất của thành phần làm nên lăng kính đối với mỗi ánh sáng đều khác nhau nên sẽ tạo nên những chùm tia sáng không giống nhau. Đây được gọi là sự tán sắc ánh sáng.

Những sáng đơn sắc là những ánh sáng có một màu và không bị tán sắc khi qua lăng kính và có bước sóng xác định trong một môi trường trong suốt. Ánh sáng trắng là ánh sáng gồm vô số những ánh sáng đơn sắc từ đỏ đến tím gộp lại.

Những công thức của dụng cụ quang phổ này 

Dụng cụ quang phổ này có rất nhiều công thức tính toán khác nhau. Mỗi công thức sẽ giúp bạn giải quyết một vấn đề khác nhau như đo được khoảng cách từ vật muốn nhìn cho đến mắt người. Dưới đây là một số công thức tính toán tiêu biểu của nó.

Tính đường truyền ánh sáng đến lăng kính

Đường truyền ánh sáng được tính bằng công thức đơn giản như bên dưới đây. Trong đó n là chiết suất tỉ đối của lăng kính (nlăngkính) và môi trường (nmôitrường) chứa nó. 

n=nlăngkínhnmôitrường

Nếu n < 1 có nghĩa là tia sáng đang lệch về phía phần đỉnh của dụng cụ quang phổ này . Tuy nhiên trường hợp này thường rất ít gặp cho nên chúng ta thường chỉ xét khi n >1 tất là tia sáng này lệch về phía đáy kính.

Khi n > 1, tia sáng tới lăng kính sẽ di chuyển với quy trình như sau:

Đầu tiên, khi tiếp xúc với bề mặt của dụng cụ quang phổ này tại điểm tới I, tia sáng sẽ tạo với đường phương phương pháp tuyến của bề mặt (đường thẳng vuông góc tại điểm tới) một góc tới i1.

Tại đây, một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ về môi trường ban đầu, còn một phần ánh sáng sẽ bị bề mặt dụng cụ quang phổ này sẽ hấp thụ và đi vào trong lăng kính. Do chiết suất tỉ đối của lăng kính lớn hơn 1, tia sáng sẽ có khuynh hướng đi về đáy của nó và tạo ra một góc lệch đối với đường đi ban đầu của tia sáng, gọi là góc lệch r1. 

Tia sáng tiếp tục di chuyển bên trong và chạm phải bề mặt bên kia của dụng cụ quang phổ này ở điểm tới J, lúc này tia sáng tạo ra góc lệch r2, một phần ánh sáng tiếp tục xuyên qua bề mặt của nó và đổi hướng khi ra môi trường bên ngoài, tạo thành góc ló i2.

Công thức tổng quát của dụng cụ quang phổ này

Những công thức cơ bản của một lăng kính bao gồm các công thức sau đây:

sin(i1)=n*sin(r1)

sin(i2)=n*sin(r2)

Góc chiết quang A= r1+r2

Góc lệch D = D= i1+i2– A

Lưu ý: nếu góc chiết quang nhỏ hơn 10 độ và góc tới cũng nhỏ, thì không cần tính sin vì lúc này sin của các góc xấp xỉ bằng 1. Trong một số trường hợp nhất định, tia sáng khi chiếu vào lăng kính sẽ cho ra các đường chiếu đặc biệt. Chẳng hạn tia sáng qua nó sẽ tạo ra một đường đối xứng qua hai mặt phân giác của lăng kính khi nó tạo ra một góc lệch cực tiểu. Lúc đó:

Góc tới i1= góc ló i2, sao cho khi tia sáng chiếu tới mặt của nó tạo ra một góc lệch nhỏ nhất trước khi ánh sáng bị phản xạ hoàn toàn. Tức i1= i2= im

góc lệch r1 = góc lệch r2=A2 

Như vậy, Dm=2im-A

Tức:

sinDm+A2=nsinA2 hay chiết suất của lăng kính bằng sinDm+A2sinA2

Trong một số trường hợp, tia sáng sẽ bị phản xạ hoàn toàn mà không đi vào dụng cụ quang phổ này hoặc không thể thoát khỏi lăng kính. Do đó, để có được tia ló, tia sáng tới phải đáp ứng 2 điều kiện cơ bản:

Góc chiết quang A igh với igh=arcsin1n

Góc tới i<io với sinio=nsin(A-igh)  

Những ứng dụng phổ biến nhất dụng cụ quang phổ 

Dụng cụ quang phổ lăng kính được sử dụng nhiều trong các ứng dụng khoa học kỹ thuật, trong đó phổ biến nhất là những ứng dụng sau đây. Nó giúp tạo ra những sản phẩm phục vụ cho đời sống con người được tốt hơn.

Bộ phận không thể thiếu của máy quang phổ

Máy quang phổ là dụng cụ để phân tích chùm sáng thành nhiều phần đơn sắc khác nhau. Nó hoạt động dựa trên hiện tượng tán sắc, giúp nhận biết những thành phần của chùm sáng do một nguồn sáng phát ra.

Phản xạ hình ảnh trong ốm nhòm, máy ảnh

Trong các ống nhòm và máy ánh sẽ được dùng một lăng kính phản xạ toàn phần với phần hình dạng là tam giác vuông và có tiết diện thẳng. Chúng được sử dụng để tạo ra những hình ảnh thuận chiều.

Sử dụng làm kính tiềm vọng

Lăng kính toàn phần được sử dụng để làm kính tiềm vọng ở các tàu ngầm nhờ sử phản xạ lại ánh sáng toàn phần làm thay đổi đường truyền của ánh sáng. Qua đó giúp người sử dụng có thể thấy rõ những sự vật trên mặt biển hơn.

Tổng kết

Bài viết trên đã nêu ra những loại lăng kính thông dụng và các ứng dụng hữu ích của nó và đó cũng là lý do khiến nó trở nên thông dụng trong đời sống hằng ngày của chúng ta. Hi vọng qua những kiến thức về dụng cụ quang phổ này trong các nội dung trên sẽ giúp ích thêm cho bạn trên con đường học vấn và công việc.