Lăng kính là gì? Cấu tạo và công dụng của lăng kính?

1. Lăng kính là gì?

1.1. Định nghĩa:

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). Nó là một khối trong suốt và đồng chất (làm từ thủy tinh, nhựa…), được giới hạn bởi hai mặt phẳng không song song. Lăng kính thường có dạng lăng trụ tam giác, có tiết diện thẳng là một hình tam giác.

Lăng kính thường được làm từ các chất trong suốt và đồng nhất, như thủy tinh hay nhựa, và có hai mặt phẳng không song song gọi là các mặt bên. Góc hợp bởi hai mặt bên gọi là góc chiết quang hay góc ở đỉnh của lăng kính. Chiết suất của lăng kính đối với môi trường chứa nó phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng. Khi ánh sáng trắng đi qua lăng kính, nó sẽ bị phân tách thành các ánh sáng đơn sắc khác nhau, do độ khúc xạ của chúng khác nhau. Đây là hiện tượng tán sắc ánh sáng. Tia sáng đi qua lăng kính còn bị lệch một góc so với phương ban đầu, gọi là góc lệch. Góc lệch này có thể tính được bằng các công thức quang học của lăng kính.

1.2. Lịch sử của lăng kính:

Lịch sử phát minh lăng kính có thể được truy vấn để tìm hiểu thêm về thời gian chế tạo lăng kính. Tuy nhiên, dựa trên thông tin hiện có, cuối thế kỷ 13 là thời điểm lăng kính bắt đầu được sử dụng rộng rãi ở Trung Quốc và Châu Âu, và thế kỷ 14 là thời kỳ lăng kính được sử dụng phổ biến.

Hình dạng chiếc mắt kính đầu tiên được phát hiện trong di chỉ khảo cổ ở Nineveh, Iraq, có niên đại vào năm 1002. Chiếc kính này có hình bầu dục và được làm từ vật liệu trong suốt.

Từ đó, lăng kính đã trải qua sự phát triển và cải tiến liên tục trong suốt hàng thế kỷ, với sự thêm vào của các thấu kính thổi bằng thủy tinh và các công nghệ sản xuất lăng kính tiên tiến hơn.

Tóm lại:

– Lăng kính bắt đầu được sử dụng rộng rãi vào cuối thế kỷ 13 và thế kỷ 14.

– Chiếc mắt kính đầu tiên được phát hiện vào năm 1002 tại Nineveh, Iraq.

– Lăng kính đã trải qua sự phát triển và cải tiến liên tục trong suốt hàng thế kỷ.

2. Cấu tạo của lăng kính:

– Giao tuyến của hai mặt bên gọi là cạnh của lăng kính, còn mặt đối diện với cạnh là đáy của lăng kính. 

– Góc hợp bởi hai mặt bên gọi là góc chiết quang hay góc ở đỉnh.

– Mặt đối diện của cạnh là đáy của lăng kính.

– Góc hợp bởi hai mặt của lăn lăng kính gọi là góc chiết quang hay góc ở đỉnh.

3. Đặc trưng của lăng kính:

Lăng kính có những yếu tố đặc trưng sau đây:

– Góc chiết quang A: là góc hợp bởi hai mặt bên của lăng kính.

– Chiết suất n: là tỉ số chiết suất của chất làm lăng kính với chiết suất của môi trường chứa nó.

Khi một tia sáng đi qua lăng kính, nó sẽ bị khúc xạ ở hai mặt bên và bị lệch về phía đáy hoặc đỉnh của lăng kính, tùy thuộc vào giá trị của n. Nếu n > 1, tia sáng lệch về phía đáy; nếu n < 1, tia sáng lệch về phía đỉnh. Góc lệch D của tia sáng có thể tính được bằng công thức: D = i1 + i2 – A, trong đó i1 và i2 là các góc tới ở hai mặt bên của lăng kính. Ngoài ra, ta còn có các công thức khúc xạ: sin i1 = n.sin r1 và sin i2 = n.sin r2, trong đó r1 và r2 là các góc khúc xạ ở hai mặt bên. Lăng kính có nhiều ứng dụng trong khoa học và kỹ thuật, như tán sắc ánh sáng trắng thành các màu quang phổ, phản xạ ánh sáng trong máy ảnh và ống nhòm, chia ánh sáng thành các thành phần phân cực khác nhau.

Công thức này có thể hiểu như sau: khi tia sáng đi qua lăng kính, nó sẽ bị khúc xạ ở hai mặt bên theo các góc r1 và r2. Hai góc này cùng hợp với góc chiết quang A để tạo thành một tam giác. Do đó, ta có r1 + r2 + A = 180 độ. Từ đó suy ra A = 180 độ – r1 – r2. Thay vào công thức khúc xạ, ta được: A = 180 độ – arcsin (sin i1 / n) – arcsin (sin i2 / n). Đơn giản hóa biểu thức này, ta được: D = i1 + i2 – A. Ngoài ra, ta còn có các công thức khúc xạ: sin i1 = n.sin r1 và sin i2 = n.sin r2, trong đó r1 và r2 là các góc khúc xạ ở hai mặt bên. Lăng kính có nhiều ứng dụng trong khoa học và kỹ thuật, như tán sắc ánh sáng trắng thành các màu quang phổ, phản xạ ánh sáng trong máy ảnh và ống nhòm, chia ánh sáng thành các thành phần phân cực khác nhau.

4. Phân loại lăng kính:

Lăng kính có nhiều loại, phụ thuộc vào hình dạng và công dụng của chúng. Một số loại lăng kính phổ biến là:

– Lăng kính tán sắc: được dùng để phân tách ánh sáng đa sắc thành những tia sáng đơn sắc, phụ thuộc vào tần số của ánh sáng chiếu vào nó. Lăng kính tán sắc thường có dạng lăng trụ tam giác đều, với góc ở đỉnh là 60 độ. Các loại lăng kính tán sắc bao gồm lăng kính tam giác, lăng kính Abbe, lăng kính Pellin-Broca, lăng kính Amici và lăng kính hợp chất .

– Lăng kính phản xạ: được dùng để phản xạ ánh sáng, dùng trong máy ảnh và ống nhòm. Lăng kính phản xạ thường có dạng lăng trụ ngũ giác hoặc lục giác, với các mặt phẳng vuông góc với nhau. Các loại lăng kính phản xạ bao gồm lăng kính Porro, lăng kính Porro-Abbe, lăng kính Abbe-Koenig, lăng kính Schmidt-Pechan, lăng kính Dove, lăng kính Dichroic và lăng kính Amici roof.

– Lăng kính phân cực: được dùng để chia chùm sáng thành các thành phần khác nhau theo hướng dao động của sóng ánh sáng. Lăng kính phân cực thường được chế tạo từ vật liệu phân cực, như thạch anh hay canxit. Các loại lăng kính phân cực bao gồm lăng kính Nicol, lăng kính Wollaston, lăng kính Rochon, lăng kính Glan-Foucault, lăng kính Glan-Taylor và lăng kính Glan-Thompson.

5. Công thức tính lăng kính:

Độ khúc xạ của tia sáng qua lăng kính phụ thuộc vào góc chiết quang, chiết suất và góc tới của tia sáng. Các công thức tính liên quan đến lăng kính là:

– Định luật Snell: sin i = n.sin r

– Định luật chiết quang: r1 + r2 = A

– Định luật góc lệch: D = i1 + i2 – A

Trong đó:

– i1, i2: là các góc tới ở hai mặt bên của lăng kính.

– r1, r2: là các góc ló ở hai mặt bên của lăng kính.

– A: là góc chiết quang của lăng kính.

– n: là chiết suất tỉ đối của lăng kính với môi trường chứa nó.

– D: là góc lệch của tia sáng qua lăng kính.

Công thức lăng kính trong trường hợp góc chiết quang A < 10o và góc tới i nhỏ:

– sini ≈ i

– sinr ≈ r

– i1 = n.r1

– i2 = n.r2

– D = nr1 + nr2 – A = n.A – A = (n – 1)A

6. Ứng dụng của lăng kính:

Lăng kính có nhiều ứng dụng trong khoa học và kỹ thuật, như:

– Quang học: Lăng kính được sử dụng trong các thiết bị quang học như ống kính máy ảnh, kính hiển vi, kính viễn vọng, kính lúp và các thiết bị quang học khác. Chúng giúp tập trung và chuyển hướng ánh sáng để cung cấp hình ảnh rõ ràng và phóng đại.

– Kỹ thuật: Lăng kính được sử dụng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật, bao gồm máy đo, thiết bị chẩn đoán y tế, máy quét và các thiết bị cảm biến.

– Đèn chiếu sáng: Lăng kính được sử dụng trong các hệ thống chiếu sáng để tập trung ánh sáng và tạo ra ánh sáng mạnh hơn hoặc phân tán rộng hơn.

– Kính cận: Lăng kính có thể được sử dụng trong kính cận để điều chỉnh lỗi khúc xạ của mắt và cung cấp khả năng nhìn rõ hơn cho những người có vấn đề về thị lực.

– Công nghệ laser: Lăng kính được sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến công nghệ laser, bao gồm cắt, khoan, điều chỉnh tia laser và các ứng dụng quang học liên quan khác.

Như vậy, lăng kính có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, từ quang học, kỹ thuật, chiếu sáng đến y tế và công nghệ laser.

7. Một số loại lăng kính phổ biến:

Một số loại lăng kính phổ biến như sau:

– Lăng kính tam giác: là loại lăng kính có hai mặt phẳng giao nhau tạo thành một góc nhọn. Lăng kính tam giác có thể được chia thành các loại nhỏ hơn theo góc của chúng, ví dụ như lăng kính đều (có ba góc bằng 60 độ), lăng kính cân (có hai góc bằng nhau), lăng kính vuông (có một góc bằng 90 độ), v.v. Lăng kính tam giác có tác dụng tách ánh sáng trắng thành các màu cơ bản (quang phổ) hoặc ngược lại.

– Lăng kính thấu kính: là loại lăng kính có hai mặt cong đối xứng. Lăng kính thấu kính có thể được chia thành các loại nhỏ hơn theo độ cong của chúng, ví dụ như lăng kính hội tụ (có hai mặt lồi), lăng kính phân kỳ (có hai mặt lõm), lăng kính tròn (có một mặt lồi và một mặt lõm), v.v. Lăng kính thấu kính có tác dụng tập trung hoặc phân tán ánh sáng, tạo ra ảnh thu phóng hoặc thu nhỏ.

– Lăng kính phức hợp: là loại lăng kính được ghép từ hai hoặc nhiều lăng kính đơn giản. Lăng kính phức hợp có thể được chia thành các loại nhỏ hơn theo cách ghép của chúng, ví dụ như lăng kính achromat (ghép từ hai lăng kính thấu kính khác chất liệu để khắc phục sai màu), lăng kính roof (ghép từ hai lăng kính tam giác vuông để đảo ngược ảnh), v.v. Lăng kính phức hợp có tác dụng cải thiện chất lượng ảnh, điều chỉnh góc quan sát, v.v.