ما هو المنشور البصري؟ الأنواع والوظائف والتطبيقات

فهم المنشورات الضوئية

ان المنشور البصري هو عنصر بصري شفاف ذو أسطح مسطحة مصقولة تكسر الضوء. المبدأ الأساسي وراء المنشور هو أنه يمكنه ثني الضوء أو عكسه أو تقسيمه بناءً على هندسته والخصائص الانكسارية لمادته . على عكس العدسات التي تستخدم الأسطح المنحنية، يستخدم المنشور الأسطح المستوية الموضوعة في زوايا محددة للتعامل مع مسارات الضوء.

معظم المنشورات الضوئية مصنوعة من الزجاج أو البلاستيك الشفاف مع مؤشرات انكسار دقيقة. الشكل الأكثر شهرة هو المنشور الثلاثي، الذي تشتت الضوء الأبيض إلى ألوان الطيف المكونة له - وهي ظاهرة درسها إسحاق نيوتن بشكل منهجي لأول مرة في عام 1666. ومع ذلك، يخدم المنشور أغراضًا أكثر بكثير من إنشاء أقواس قزح؛ وهي مكونات أساسية في العديد من الأنظمة البصرية التي تتراوح من المناظير البسيطة إلى أجهزة قياس الطيف المتقدمة.

السمة الرئيسية التي تميز المنشور عن العناصر البصرية الأخرى هي قدرته على تغيير اتجاه الضوء دون الحاجة إلى تركيزه ، مما يجعلها لا تقدر بثمن لتوجيه الشعاع، وتصحيح اتجاه الصورة، وتطبيقات فصل الطول الموجي.

كيف يعمل المنشور البصري

يخضع تشغيل المنشور البصري لمبدأين بصريين أساسيين: الانكسار والانعكاس الداخلي الكلي.

الانكسار في المنشور

عندما يدخل الضوء إلى المنشور بزاوية، فإنه ينحني وفقا لقانون سنيل. تعتمد درجة الانحناء على الطول الموجي للضوء ومعامل انكسار مادة المنشور . بالنسبة للزجاج البصري القياسي (زجاج التاج)، يبلغ معامل الانكسار حوالي 1.52، مما يعني أن الضوء ينتقل في الزجاج بمعدل 1.52 مرة أبطأ منه في الهواء.

يفسر هذا الانكسار المعتمد على الطول الموجي سبب قدرة المنشور على فصل الضوء الأبيض إلى ألوان، فالضوء الأزرق ينحني بشكل أكثر حدة من الضوء الأحمر لأنه يمتلك طولًا موجيًا أقصر. في منشور تشتت نموذجي مع زاوية قمة 60 درجة ، والفصل الزاوي بين الضوء الأحمر والبنفسجي هو تقريبا 3 درجات .

إجمالي الانعكاس الداخلي

تستغل العديد من المنشورات الانعكاس الداخلي الكلي بدلاً من الانكسار. عندما ينتقل الضوء عبر وسط أكثر كثافة (مثل الزجاج) ويصطدم بالحدود مع وسط أقل كثافة (مثل الهواء) بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة، ينعكس 100% من الضوء مرة أخرى إلى الوسط الأكثر كثافة . بالنسبة لزجاج التاج، تكون هذه الزاوية الحرجة تقريبًا 41.8 درجة .

تمكن هذه الظاهرة المنشورات من العمل كمرايا عالية الكفاءة بدون طلاء معدني، مما يجعلها متفوقة على المرايا التقليدية في العديد من التطبيقات حيث لا يوجد فقدان للضوء من الامتصاص.

الأنواع الشائعة من المنشورات الضوئية

يتم تصنيف المنشورات الضوئية على أساس هندستها ووظيفتها الأساسية. يخدم كل نوع تطبيقات محددة في الأنظمة البصرية.

المنشورات المشتتة

المنشور الثلاثي الكلاسيكي يشتت الضوء في المقام الأول. تتميز هذه المنشورات بزاوية القمة (عادةً بين 30 و 60 درجة ) وهي أساسية للتحليل الطيفي. يمكن لمقاييس الطيف الحديثة استخدام تشتت المنشور لتحديد المواد من خلال توقيعاتها الطيفية دقة الطول الموجي تصل إلى 0.1 نانومتر .

يعكس المنشور

المنشورات العاكسة تعيد توجيه الضوء دون تشتت كبير. يظل نظام منشور بورو، الذي اخترعه إجنازيو بورو في عام 1854، هو المعيار في العديد من المناظير. يمكن لزوج من منشورات بورو إنشاء صورة مقلوبة مع زيادة طول المسار البصري أيضًا ، مما يسمح بتصميمات الأدوات المدمجة مع التكبير الفعال.

المنشورات الاستقطابية

المنشورات المتخصصة مثل منشور نيكول أو منشور جلان طومسون تفصل الضوء إلى حالات استقطاب متعامدة. تحقق هذه الأجهزة نسب الانقراض تتجاوز 100000:1 مما يجعلها ضرورية لقياس الاستقطاب وتطبيقات البحوث البصرية.

تطبيقات العالم الحقيقي للمنشورات البصرية

ينتشر المنشور البصري في كل مكان في التكنولوجيا الحديثة، وغالبًا ما يعمل بشكل غير مرئي داخل الأجهزة التي نستخدمها يوميًا.

التصوير الفوتوغرافي والتصوير

تعتمد الكاميرات ذات العدسة الأحادية العاكسة (SLR) على المنشورات الخماسية لتزويد المصورين برؤية مستقيمة وموجهة بشكل صحيح من خلال عدسة الكاميرا. يعكس المنشور الخماسي الضوء خمس مرات داخليًا , تصحيح الصورة المقلوبة والمعكوسة التي تنتجها عدسة الكاميرا دون الحاجة إلى عناصر بصرية إضافية.

تستخدم أجهزة العرض الرقمية تجميعات المنشور لدمج الصور من لوحات LCD منفصلة باللون الأحمر والأخضر والأزرق أو شرائح DLP. نظام المنشور ثنائي اللون في أ يمكن لجهاز العرض ثلاثي الشرائح تحقيق دقة الألوان في حدود 2% من المعايير المهنية .

الأجهزة العلمية

يستخدم مطياف المنشور لتحليل تكوين المواد. على سبيل المثال، يستخدم مطياف الفلك الفلكي تشتت المنشور لتحديد التركيب الكيميائي للنجوم البعيدة. يمكن للأجهزة الطيفية لتلسكوب هابل الفضائي اكتشاف الكميات الكيميائية باستخدام الدقة أفضل من 5% في الاجواء النجمية .

في مختبرات الكيمياء، تستخدم أجهزة قياس انكسار آبي المنشورات لقياس معامل انكسار السوائل ذات الدقة إلى أربع منازل عشرية مما يتيح التحديد الدقيق للمواد وقياسات التركيز.

الاتصالات وتكنولوجيا الليزر

تستخدم أنظمة الألياف الضوئية المنشورات لمضاعفة تقسيم الطول الموجي، حيث تنتقل تدفقات البيانات المتعددة بأطوال موجية مختلفة عبر ليف واحد. يمكن لأنظمة DWDM الحديثة إرسال أكثر من 80 قناة منفصلة ، كل منها يحمل 100 جيجابت في الثانية، باستخدام فصل الطول الموجي القائم على المنشور.

تستخدم أنظمة توجيه شعاع الليزر منشورات دوارة أو أزواج منشورات للتحكم بدقة في اتجاه الشعاع دون تحريك مصدر الليزر نفسه، مما يحقق دقة تحديد المواقع داخل ميكروراديان .

بصريات المستهلك

يشتمل المناظير على منشورات بورو أو منشورات السقف لإنشاء تصميم مدمج ومريح مع توفير صور مكبرة وموجهة بشكل صحيح. تستخدم المناظير عالية الجودة طبقات تصحيح الطور على منشورات السقف لتحقيق انتقال للضوء يتجاوز 90% ، ينافس سطوع المشاهدة المباشرة.

المواد والتصنيع

يعتمد أداء المنشور البصري بشكل أساسي على خصائص المادة ودقة التصنيع.

مواد المنشور المشترك

• زجاج BK7: الزجاج البصري الأكثر شيوعًا بمعامل انكسار 1.517، ويستخدم في المنشورات ذات الأغراض العامة للأطوال الموجية من 380 إلى 2100 نانومتر
• تنصهر السيليكا: يوفر انتقالًا استثنائيًا في نطاق الأشعة فوق البنفسجية وتمددًا حراريًا منخفضًا، وهو أمر بالغ الأهمية لتطبيقات الليزر عالية الطاقة
• زجاج SF11: يوفر معامل الانكسار العالي (1.785) تشتتًا أكبر، وهو مثالي للأنظمة الطيفية المدمجة
• فلوريد الكالسيوم: ينقل الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية، الضرورية للتحليل الطيفي المتخصص مع الإرسال من 180 نانومتر إلى 8000 نانومتر

دقة التصنيع

تتطلب المنشورات الدقيقة تفاوتات تصنيعية غير عادية. يجب أن يكون تسطيح السطح عادةً أفضل من /4 (ربع الطول الموجي للضوء) ، وهو ما يترجم إلى انحرافات أقل من 150 نانومتر للضوء المرئي. متطلبات دقة الزاوية صارمة بنفس القدر، وغالبًا ما تكون محددة للداخل ثانية قوسية (1/3600 درجة) .

تعمل الطلاءات البصرية على تحسين أداء المنشور بشكل كبير. يمكن للطلاءات المضادة للانعكاس أن تقلل من خسائر انعكاس السطح من 4% إلى أقل من 0.25% لكل سطح . تعمل الطلاءات المعدنية أو العازلة على الأسطح العاكسة على تحسين الكفاءة وتمكين الانعكاس الانتقائي لطول الموجة.

المزايا والقيود

إن فهم متى يتم استخدام المنشور مقابل المكونات البصرية البديلة يتطلب معرفة نقاط القوة والضعف فيها.

المزايا الرئيسية

• لا خسائر الامتصاص: يحقق منشور الانعكاس الداخلي الإجمالي كفاءة انعكاس بنسبة 100% تقريبًا، متفوقًا على المرايا المعدنية التي تعكس عادةً 90-95%
• فصل الطول الموجي: يوفر المنشور تشتتًا مستمرًا للطول الموجي، على عكس شبكات الحيود التي تنتج أوامر متعددة
• المتانة: أسطح الانعكاس الداخلية محمية من التلوث البيئي والأضرار الميكانيكية
• التحكم في الاستقطاب: يمكن لبعض أنواع المنشور أن تفصل أو تحلل حالات الاستقطاب بنقاء استثنائي

القيود العملية

• الحجم والوزن: المنشورات الزجاجية أثقل بكثير من أنظمة المرايا المماثلة، مما يحد من استخدامها في التطبيقات الحساسة للوزن
• التكلفة: يمكن أن تكلف المنشورات الدقيقة ذات الطلاءات عالية الجودة ما بين 10 إلى 50 مرة أكثر من المرايا البسيطة
• تأثيرات لونية: تفصل المنشورات المشتتة الأطوال الموجية، وهو أمر غير مرغوب فيه في تطبيقات التصوير التي تتطلب أداءً لونيًا
• حساسية درجة الحرارة: يمكن أن تؤثر تغيرات معامل الانكسار مع درجة الحرارة على أداء المنشور في البيئات القاسية، مع اختلافات نموذجية تبلغ 1-5 أجزاء في المليون لكل درجة مئوية

اختيار المنشور الصحيح

يتضمن اختيار المنشور المناسب لتطبيق معين النظر في عوامل متعددة بشكل منهجي.

معايير الاختيار الحاسمة

1. نطاق الطول الموجي: مطابقة مادة المنشور مع الأطوال الموجية العاملة؛ تتطلب تطبيقات الأشعة فوق البنفسجية السيليكا المنصهرة، بينما قد تحتاج الأشعة تحت الحمراء إلى مواد متخصصة مثل سيلينيد الزنك
2. متطلبات انحراف الشعاع: تحديد زاوية الانحراف اللازمة (45 درجة، 90 درجة، 180 درجة) وما إذا كان يجب الحفاظ على اتجاه الصورة
3. احتياجات التشتت: قرر ما إذا كان فصل الطول الموجي مرغوبًا أم يمثل مشكلة بالنسبة للتطبيق
4. قيود الحجم: ضع في اعتبارك قيود المساحة المادية وقيود الوزن
5. التعامل مع السلطة: تتطلب تطبيقات الليزر عالية الطاقة مواد ذات عتبات ضرر عالية، عادةً أكبر من 10 جول/سم² للسيليكا المنصهرة

اعتبارات الطلاء

يؤثر اختيار الطلاء البصري بشكل كبير على أداء المنشور. توفر الطلاءات القياسية المضادة للانعكاس انعكاس أقل من 0.5% لكل سطح عبر الأطوال الموجية المرئية، في حين تعمل طبقات النطاق العريض على تمديد هذا الأداء من 400-700 نانومتر. بالنسبة للتطبيقات المهمة، يمكن تحقيق الطلاءات المخصصة متعددة الطبقات الانعكاسية أقل من 0.1% في أطوال موجية محددة.

تتيح الطلاءات المعدنية (الألومنيوم أو الفضة) على الأسطح العاكسة إمكانية الاستخدام خارج الزاوية الحرجة، ولكن على حساب التكلفة 3-10% فقدان الانعكاس . توفر الطلاءات الفضية المحمية انعكاسًا فائقًا في الأشعة تحت الحمراء مع الحفاظ على الأداء المرئي المناسب.

التطورات المستقبلية في تكنولوجيا المنشور

يؤدي التقدم في علوم المواد والتصنيع إلى توسيع قدرات المنشور وتطبيقاته.

المنشورات Metamaterial

يقوم الباحثون بتطوير منشورات باستخدام مواد خارقة، وهي مواد منظمة بشكل اصطناعي ذات خصائص بصرية غير موجودة في الطبيعة. يمكن تحقيق هذه المنشورات metamaterial الانكسار السلبي أو التشتت الفائق ، مما يتيح أنظمة طيفية فائقة الصغر وأجهزة تصوير جديدة. تظهر النماذج الأولية معاملات التشتت أكبر 10 مرات من الزجاج التقليدي.

المنشورات التكيفية

تتيح المواد البلورية السائلة والمواد الكهروضوئية منشورات قابلة للضبط كهربائيًا يمكنها ضبط خصائصها البصرية ديناميكيًا. يمكن لهذه الأجهزة أن تُحدث ثورة في توجيه الشعاع واختيار الطول الموجي أوقات التبديل أقل من 1 مللي ثانية ولا أجزاء متحركة.

التصغير

تعمل مصفوفات المنشورات الدقيقة المصنعة باستخدام تقنيات تصنيع أشباه الموصلات على تمكين الأجهزة الضوئية المتكاملة. تعد هذه المنشورات المجهرية، ذات الأبعاد المقاسة بالميكرومتر، مكونات مهمة في أجهزة MEMS الضوئية وكاميرات الهواتف الذكية، حيث توفر صفائف المنشور تثبيت الصورة البصرية في عبوات أصغر من 5 مم.