什么是光学棱镜？
时间：2025-10-11 发布人：admin 点击数：0
光学棱镜作为一类核心光学元件，以其由两两相交且互不平行的平面围成的独特结构，在分光、色散、光束偏移及图像方向调整等方面发挥着不可替代的作用。从基础的光学实验到高端的精密仪器，棱镜的应用贯穿于多个领域。本文将系统解析棱镜的加工材料、常用类型（以直角棱镜为重点）及各类材料窗口片的特性与使用规范。
一、棱镜的核心功能与基本原理
棱镜的核心价值在于对光线的精准操控，主要体现在三个方面：
分光与色散
利用不同波长光在介质中折射率的差异，将复合光分解为单色光（如白光通过三棱镜形成光谱）。 光束偏移
通过折射或反射改变光线传播路径，实现 90°、180° 等特定角度的偏转。 图像方向调整
通过反射面的设计，校正图像的颠倒或旋转，确保观测到的图像与实际场景方向一致。
其工作原理基于光的折射定律、全内反射（当入射角大于临界角时，光线完全反射回光密介质）及双折射（某些晶体将自然光分解为两束偏振光），不同类型的棱镜通过组合这些原理实现特定功能。
二、棱镜加工的核心材料
棱镜的加工材料需满足高透明度、特定波段透过率及稳定的光学性能，常见材料包括：
光学玻璃
如 N-BK7，适用于可见光（350nm-2.0μm）及近红外波段，性价比高，加工性好，是通用场景的首选。 石英（UVFS）
紫外熔融石英，在深紫外波段（200nm-2.1μm）透过率优于光学玻璃，且热膨胀系数低，适合高精度紫外光学系统。 氟化钙（CaF₂）
覆盖 200nm-8.0μm 波段，透射率高、色散低（阿贝数 95），耐化学品和耐热性优良，但易潮解，需干燥存储。 硒化锌（ZnSe）
适用 600nm-20.0μm 波段，无吸湿性、无双折射，适用于氦氖激光（633nm）及高功率二氧化碳激光（10.6μm）。 锗（Ge）
工作于 2.0μm-16.0μm 红外波段，可作为长波通滤光片，但对温度敏感（100℃以上吸收剧增），且具有毒性。 蓝宝石
覆盖 200nm-4.5μm 波段，表面硬度极高（仅被少数物质划伤），化学稳定性优异（1000℃不溶于水、酸碱）。
三、常用棱镜类型：以直角棱镜为例
直角棱镜是应用最广泛的棱镜之一，其横截面为直角三角形，核心功能是通过全内反射实现光束 90° 或 180° 偏转，具体特性如下：
（一）工作原理
90° 反射
光线从直角面入射，在斜面发生全内反射后从另一直角面出射，光路偏转 90°。 180° 反射
光线从斜面入射，在两个直角面发生两次全内反射后从斜面出射，光路偏转 180°，且偏转角度与入射角无关。
（二）相较于反射镜的优势
接触面积大，45°、90° 等典型角度易于机械调整； 机械应力稳定性更强，适用于振动或温度变化场景； 依赖全内反射，对表面镀膜的依赖低，减少反射损耗。
四、各类材料窗口片的特性与使用规范
窗口片作为棱镜的关联元件（常用于保护棱镜或隔离光路），其材料特性与使用注意事项如下：
（一）锗窗口片
波长范围
2.0μm-16.0μm（红外波段）； 特性
可见光不透光，可作为长波通滤光片；温度敏感性强（100℃吸收剧增，200℃完全不透光）； 安全规范
含有害物质，操作时需佩戴手套、防尘口罩、护目镜及防渗透工作服，操作后需彻底洗手。
（二）氟化钙窗口片
波长范围
200nm-8.0μm； 特性
全波段高透射率，低吸收、高损伤阈值，低色散（阿贝数 95），防水耐化学品，但 600℃以上会降解，湿度大时易潮解； 存储与操作
使用后需擦拭干净，存放于干燥柜（湿度 25%、温度 20℃）；佩戴防尘口罩和橡胶手套，避免接触酸类物质。
（三）硒化锌窗口片
波长范围
600nm-20.0μm； 特性
无吸湿性，各向同性（无双折射），适用于 HeNe 激光（633nm）及高功率 CO₂激光（10.6μm）； 安全规范
具刺激性，皮肤接触可致皮炎，遇酸释放有毒硒化氢；操作时需佩戴过滤式口罩、护目镜及防渗透工作服。
（四）其他常用窗口片
蓝宝石窗口片
200nm-4.5μm，z 轴切面可消除双折射，硬度高、化学稳定性极强； 硅窗口片
1.2μm-8.0μm，热传导率高、密度低，但 9μm 处吸收强，不适用于 CO₂激光； 紫外熔融石英窗口片
190nm-2.1μm，深紫外透过率优于 N-BK7，可镀增透膜； N-BK7 窗口片
350nm-2.0μm，性价比高，适用于无需深紫外特性的场景，可镀增透膜。
（五）通用参数（部分窗口片）
直径：12.7mm、25.4mm； 厚度：3mm、5mm； 表面光洁度：40/20（划痕 / 麻点）； 表面平整度（@633nm）：λ/8~λ； 表面平行度：5arcsec~3arcmin。
