Apa itu Prisma Optik? Jenis, Fungsi & Aplikasi

Memahami Prisma Optik

Sebuah prisma optik adalah elemen optik transparan dengan permukaan datar dan halus yang membiaskan cahaya. Prinsip dasar di balik prisma adalah ia dapat membengkokkan, memantulkan, atau membagi cahaya berdasarkan geometri dan sifat bias materialnya. . Berbeda dengan lensa yang menggunakan permukaan melengkung, prisma menggunakan permukaan datar yang diposisikan pada sudut tertentu untuk memanipulasi jalur cahaya.

Kebanyakan prisma optik terbuat dari kaca atau plastik transparan dengan indeks bias yang tepat. Bentuk yang paling dikenal adalah prisma segitiga, yang menyebarkan cahaya putih menjadi warna spektrum penyusunnya—fenomena yang pertama kali dipelajari secara sistematis oleh Isaac Newton pada tahun 1666. Namun, prisma memiliki lebih banyak tujuan daripada menciptakan pelangi; mereka adalah komponen penting dalam berbagai sistem optik mulai dari periskop sederhana hingga spektrometer canggih.

Karakteristik utama yang membedakan prisma dari elemen optik lainnya adalah kemampuannya mengubah arah cahaya tanpa harus memfokuskannya , menjadikannya sangat berharga untuk kemudi sinar, koreksi orientasi gambar, dan aplikasi pemisahan panjang gelombang.

Cara Kerja Prisma Optik

Pengoperasian prisma optik diatur oleh dua prinsip dasar optik: refraksi dan refleksi internal total.

Pembiasan pada Prisma

Ketika cahaya memasuki prisma dengan sudut tertentu, cahaya tersebut dibelokkan sesuai dengan Hukum Snell. Derajat pembengkokan bergantung pada panjang gelombang cahaya dan indeks bias bahan prisma . Untuk kaca optik standar (kaca mahkota), indeks biasnya kira-kira 1,52, yang berarti cahaya merambat 1,52 kali lebih lambat di dalam kaca dibandingkan di udara.

Pembiasan yang bergantung pada panjang gelombang ini menjelaskan mengapa prisma dapat memisahkan cahaya putih menjadi warna—cahaya biru dibelokkan lebih tajam daripada cahaya merah karena panjang gelombangnya lebih pendek. Dalam prisma dispersif tipikal dengan a Sudut puncak 60 derajat , jarak sudut antara cahaya merah dan ungu kira-kira 3 derajat .

Refleksi Internal Total

Banyak prisma yang memanfaatkan pemantulan internal total, bukan pembiasan. Ketika cahaya merambat melalui medium yang lebih rapat (seperti kaca) menumbuk batas medium yang kurang rapat (seperti udara) dengan sudut yang lebih besar dari sudut kritis, 100% cahaya dipantulkan kembali ke medium yang lebih padat . Untuk kaca mahkota, sudut kritis ini kira-kira 41,8 derajat .

Fenomena ini memungkinkan prisma berfungsi sebagai cermin yang sangat efisien tanpa lapisan logam, menjadikannya lebih unggul dari cermin konvensional dalam banyak aplikasi karena tidak ada cahaya yang hilang akibat penyerapan.

Jenis Umum Prisma Optik

Prisma optik dikategorikan berdasarkan geometri dan fungsi utamanya. Setiap jenis melayani aplikasi spesifik dalam sistem optik.

Prisma Dispersif

Prisma segitiga klasik pada dasarnya menyebarkan cahaya. Prisma-prisma ini dicirikan oleh sudut puncaknya (biasanya antara 30 dan 60 derajat ) dan merupakan dasar analisis spektroskopi. Spektrometer modern dapat menggunakan dispersi prisma untuk mengidentifikasi bahan berdasarkan tanda spektralnya resolusi panjang gelombang hingga 0,1 nanometer .

Memantulkan Prisma

Prisma pantulan mengalihkan cahaya tanpa penyebaran yang berarti. Sistem prisma Porro, ditemukan oleh Ignazio Porro pada tahun 1854, tetap menjadi standar di banyak teropong. Sepasang prisma Porro dapat membuat gambar terbalik sekaligus meningkatkan panjang jalur optik , memungkinkan desain instrumen kompak dengan pembesaran efektif.

Prisma Polarisasi

Prisma khusus seperti prisma Nicol atau prisma Glan-Thompson memisahkan cahaya menjadi keadaan polarisasi ortogonal. Perangkat ini mencapai rasio kepunahan melebihi 100.000:1 , menjadikannya penting untuk aplikasi penelitian polarimetri dan optik.

Penerapan Prisma Optik di Dunia Nyata

Prisma optik ada di mana-mana dalam teknologi modern, sering kali bekerja tanpa terlihat di dalam perangkat yang kita gunakan sehari-hari.

Fotografi dan Pencitraan

Kamera refleks lensa tunggal (SLR) mengandalkan pentaprisma untuk memberikan fotografer pandangan tegak dan berorientasi benar melalui jendela bidik. Pentaprisma memantulkan cahaya lima kali secara internal , mengoreksi gambar terbalik dan terbalik yang dihasilkan oleh lensa kamera tanpa memerlukan elemen optik tambahan.

Proyektor digital menggunakan rakitan prisma untuk menggabungkan gambar dari panel LCD atau chip DLP merah, hijau, dan biru yang terpisah. Sistem prisma dikroik pada a Proyektor tiga chip dapat mencapai akurasi warna dalam 2% dari standar profesional .

Instrumentasi Ilmiah

Spektrometer menggunakan prisma untuk menganalisis komposisi bahan. Misalnya, spektograf astronomi menggunakan dispersi prisma untuk menentukan komposisi kimia bintang jauh. Instrumen spektroskopi Teleskop Luar Angkasa Hubble dapat mendeteksi kelimpahan bahan kimia dengan presisi lebih baik dari 5% di atmosfer bintang.

Di laboratorium kimia, refraktometer Abbe menggunakan prisma untuk mengukur indeks bias cairan akurasi hingga empat tempat desimal , memungkinkan identifikasi zat dan pengukuran konsentrasi secara tepat.

Telekomunikasi dan Teknologi Laser

Sistem serat optik menggunakan prisma untuk multiplexing pembagian panjang gelombang, di mana beberapa aliran data pada panjang gelombang berbeda mengalir melalui satu serat. Sistem DWDM modern dapat melakukan multipleks pada 80 saluran terpisah , masing-masing membawa 100 Gbps, menggunakan pemisahan panjang gelombang berbasis prisma.

Sistem kemudi sinar laser menggunakan prisma berputar atau pasangan prisma untuk mengontrol arah sinar secara tepat tanpa menggerakkan sumber laser itu sendiri akurasi posisi dalam mikroradian .

Optik Konsumen

Teropong menggunakan Porro atau prisma atap untuk menciptakan desain yang ringkas dan ergonomis sekaligus memberikan gambar yang diperbesar dan berorientasi dengan benar. Teropong berkualitas tinggi menggunakan lapisan koreksi fase pada prisma atap untuk mencapai transmisi cahaya melebihi 90% , menyaingi kecerahan tampilan langsung.

Bahan dan Manufaktur

Kinerja prisma optik sangat bergantung pada sifat material dan presisi pembuatannya.

Bahan Prisma Umum

• Kaca BK7: Kaca optik paling umum dengan indeks bias 1,517, digunakan pada prisma serba guna untuk panjang gelombang 380-2100 nm
• Silika yang menyatu: Menawarkan transmisi luar biasa dalam jangkauan ultraviolet dan ekspansi termal rendah, penting untuk aplikasi laser berdaya tinggi
• Kaca SF11: Indeks bias yang tinggi (1,785) memberikan dispersi yang lebih besar, ideal untuk sistem spektroskopi kompak
• Kalsium Fluorida: Mengirimkan panjang gelombang inframerah dan ultraviolet, penting untuk spektroskopi khusus dengan transmisi dari 180 nm hingga 8000 nm

Presisi Manufaktur

Prisma presisi memerlukan toleransi produksi yang luar biasa. Kerataan permukaan biasanya harus lebih baik dari λ/4 (seperempat panjang gelombang cahaya) , yang berarti penyimpangan kurang dari 150 nanometer untuk cahaya tampak. Persyaratan akurasi sudut juga sama ketatnya, sering kali ditentukan dalam batas tertentu detik busur (1/3600 derajat) .

Lapisan optik meningkatkan kinerja prisma secara signifikan. Lapisan anti pantulan dapat mengurangi kehilangan pantulan permukaan dari 4% menjadi kurang dari 0,25% per permukaan . Lapisan logam atau dielektrik pada permukaan refleksi meningkatkan efisiensi dan memungkinkan refleksi selektif panjang gelombang.

Kelebihan dan Keterbatasan

Memahami kapan menggunakan prisma versus komponen optik alternatif memerlukan pengetahuan tentang kekuatan dan kelemahannya.

Keuntungan Utama

• Tidak ada kerugian penyerapan: Prisma pantulan internal total mencapai efisiensi pantulan hampir 100%, lebih unggul dibandingkan cermin logam yang biasanya memantulkan 90-95%
• Pemisahan panjang gelombang: Prisma memberikan dispersi panjang gelombang yang kontinu, tidak seperti kisi difraksi yang menghasilkan banyak orde
• Daya tahan: Permukaan refleksi internal dilindungi dari kontaminasi lingkungan dan kerusakan mekanis
• Kontrol polarisasi: Jenis prisma tertentu dapat memisahkan atau menganalisis keadaan polarisasi dengan kemurnian luar biasa

Keterbatasan Praktis

• Ukuran dan berat: Prisma kaca jauh lebih berat daripada sistem cermin sejenis, sehingga membatasi penggunaannya dalam aplikasi yang sensitif terhadap berat
• Biaya: Prisma presisi dengan lapisan berkualitas tinggi harganya bisa 10-50 kali lebih mahal daripada cermin sederhana
• Efek berwarna: Prisma dispersif memisahkan panjang gelombang, yang tidak diinginkan dalam aplikasi pencitraan yang memerlukan kinerja akromatik
• Sensitivitas suhu: Perubahan indeks bias seiring suhu dapat memengaruhi kinerja prisma di lingkungan ekstrem, dengan variasi tipikal sebesar 1-5 bagian per juta per derajat Celcius

Memilih Prisma yang Tepat

Memilih prisma yang sesuai untuk aplikasi tertentu melibatkan mempertimbangkan banyak faktor secara sistematis.

Kriteria Seleksi Kritis

1. Kisaran panjang gelombang: Cocokkan bahan prisma dengan panjang gelombang pengoperasian; Aplikasi UV memerlukan leburan silika, sedangkan IR mungkin memerlukan bahan khusus seperti seng selenida
2. Persyaratan deviasi balok: Tentukan sudut defleksi yang diperlukan (45°, 90°, 180°) dan apakah orientasi gambar harus dipertahankan
3. Kebutuhan dispersi: Putuskan apakah pemisahan panjang gelombang diinginkan atau bermasalah untuk aplikasi
4. Batasan ukuran: Pertimbangkan batasan ruang fisik dan batasan berat
5. Penanganan daya: Aplikasi laser berdaya tinggi biasanya memerlukan bahan dengan ambang kerusakan tinggi lebih besar dari 10 J/cm² untuk silika leburan

Pertimbangan Pelapisan

Pilihan lapisan optik sangat mempengaruhi kinerja prisma. Lapisan anti-pantulan standar disediakan refleksi di bawah 0,5% per permukaan melintasi panjang gelombang tampak, sementara lapisan broadband memperluas kinerja ini dari 400-700 nm. Untuk aplikasi kritis, pelapis multi-lapis khusus dapat dicapai reflektifitas di bawah 0,1% pada panjang gelombang tertentu.

Lapisan logam (aluminium atau perak) pada permukaan pantulan memungkinkan penggunaan melampaui sudut kritis, meskipun dengan biaya yang harus dibayar Kehilangan refleksi 3-10%. . Lapisan perak terlindung menawarkan reflektivitas superior dalam inframerah dengan tetap menjaga performa visual yang memadai.

Perkembangan Masa Depan dalam Teknologi Prisma

Kemajuan dalam ilmu material dan manufaktur memperluas kemampuan dan aplikasi prisma.

Prisma Metamaterial

Para peneliti sedang mengembangkan prisma menggunakan metamaterial—bahan berstruktur buatan dengan sifat optik yang tidak ditemukan di alam. Prisma metamaterial ini dapat mencapainya refraksi negatif atau super-dispersi , memungkinkan sistem spektroskopi ultra-kompak dan perangkat pencitraan baru. Prototipe awal menunjukkan koefisien dispersi 10 kali lebih besar dibandingkan kaca konvensional.

Prisma Adaptif

Kristal cair dan material elektro-optik memungkinkan prisma yang dapat disetel secara elektrik yang dapat menyesuaikan sifat optiknya secara dinamis. Perangkat ini dapat merevolusi beam steering dan pemilihan panjang gelombang waktu peralihan di bawah 1 milidetik dan tidak ada bagian yang bergerak.

Miniaturisasi

Susunan prisma mikro yang dibuat menggunakan teknik manufaktur semikonduktor memungkinkan perangkat fotonik terintegrasi. Prisma mikroskopis ini, dengan dimensi yang diukur dalam mikrometer, merupakan komponen penting dalam perangkat MEMS optik dan kamera ponsel pintar, di mana susunan prisma memberikan stabilisasi gambar optik dalam paket yang lebih kecil dari 5mm.