X
تبلیغات
علوم

علوم
 
اّموزش علوم دوره راهنمایی

محل درج آگهی و تبلیغات
 
نوشته شده در تاريخ یکشنبه هفدهم آبان 1388 توسط علی رضا پیرمردی

منشور

نوری که از شیشه منشور می‌گذرد، به لحاظ بستگی ضریب شکست به طول موج و یا پاشندگی مواد ، به رنگهای تشکیل دهنده آن تجزیه می‌شود (تجزیه نور سفید). مثلا نور سفید به طیف وسیع هفت رنگ خود تجزیه می‌گردد. بنابراین در بحث منشورها از پاشندگی نور می‌گذریم و منشورهایی را بررسی می‌کنیم که پاشنده نیستند، یعنی ضریب شکست آنها بستگی طول موجی ندارد، منشورهایی که می‌توان از آنها در آرایش سطوح بازتابنده چندگانه استفاده کرد. مزیت منشور بر مجموعه چند آینه این است که منشورها پس از تعبیه شدن در سیستم ، سمتگیری طراحی شده را حفظ می‌کنند و نیازی به تنظیم در دستگاه نهایی را ندارند. به غیر از اینکه خود منشور به عنوان یک مجموعه کل تنظیم شده باشد.

 

ساختار کلی

از آنجا که کلیه منشورها جهت بازتابیدگی به لایه‌های مواد فلزی و دی الکتریکها در سطح خود لازم ندارند، برعکس ، آینه‌ها وقتی مورد استفاده قرار می‌گیرند، کارآیی آنها تقریبا بدون اتلاف تابش است. و تنها اتلاف ناشی از ناخالصی و ناهمواریهای سطح منشور و بازتابشهای فرنل مربوط می‌شود که ناچیزند. آنچه مهم است تنظیم دائمی سطوح بازتابنده و بازتابش داخلی کلی است، استفاده از این منشورها در بیشتر دستگاههای نوری توصیه می‌شود.

دو مانع عمده در کاربرد منشورها وجود دارد آنها هم هزینه و وزن آنهاست; اگر مساحت سطح مقطع ورودی و خروجی یک منشور خیلی بیشتر از 5 سانتیمتر مربع باشد، وزن آن قابل ملاحضه خواهد بود. همچنین هزینه ساخت و تولید یک تکه شیشه کلفت و صیقل دادن آن و تعبیه دقیق آن در جای مناسب قابل توجه خواهد بود، لذا در ابعاد سطح مقطعی بزرگتر از 5 سانتیمتر مربع استفاده از آینه‌ها امتیاز بیشتری دارد و یا اینکه با تقریبی از منشورهای پلاستیکی شفاف استفاده می‌کنند.

در حالت کلی منشورهای باز تابش داخلی کلی و آینه‌های تخت به لحاظ کاربرد در سیستمهای مختلف با ملاحظه تمام پارامترهای طراحی دستگاه ، مکمل هم هستند.

باید بخاطر بسپاریم که در دستگاههای نوری کل یک منشور ظاهر نمی‌شود بلکه بعد از تنظیم منشور آن قسمتی از منشور که عمل می‌کند و در مسیر پرتوی ردیابی شده قرار می‌گیرد را نگه می‌داریم و سایر قسمتهای اضافی را جهت کاهش وزن و حجم می‌بریم و از دستگاه نوری خارج می‌کنیم.

 

انواع منشورها و کاربردهای آنها

·        منشور قائم الزاویه

سطح مقطع این منشور ساده و از یک مثلث (درجه45 - 90 - 45) ساخته شده است. نوری که از یک وجه کوچک آن وارد می‌شود در وتر آن بازتابیده می‌شود و از وجه کوچک دیگر خارج می‌گردد، به شرطی که ضریب شکست منشور بزرگتر از مقدار 1.414 باشد یعنی (n1 > 1.414) که نور باز تابش داخلی کلی خواهد کرد که این هم یک مزیت دیگر منشور بر آینه‌هاست.

 

·        منشور پنج وجهی

منشور پنج وجهی یک منشور انحراف ثابت است، بدین معنی که پرتوی ورودی را 90 منحرف می‌کند، بخاطر همین ویژگی به چنین منشوری گونیای اپتیکی می‌گویند. در تنظیم و طراحی سیستمهایی که دارای مسیرهای متقاطع پرتویی به اندازه 90 هستند، بسیار سودمند واقع می‌شوند. به سبب زاویه تابش کوچک نخستین بازتابش داخلی ، بازتابش داخلی کلی در اینجا صورت نمی‌گیرد. بنابراین سطوح بازتابنده یک منشور پنج وجهی باید با فیلمهای (پوششهای) بازتابنده پوشش یابند.

·        منشور پورو

این منشورها از ترکیب دو منشور راست گوشه بدست می‌آیند و در پیکر بندیهای انحراف ثابت 180 درجه مورد استفاده قرار می‌گیرند، در حالیکه هر دو منشور تولید معکوس می‌کنند، ترکیب آنها تولید وارونی می‌کند. این دو منشور ، مسیر یک سیستم اپتیکی را تا می‌کنند (سیستم را در ادامه فرآیند از مسیر نور خارج می‌کنند) و همچنین یک تصویر را به اندازه نصف طول وتر در هر دو جهت افقی و عمودی جابجا می‌کنند. از منشور پورو می‌توان برای کاهش طول یک تلسکوپ کپلری استفاده کرد و همزمان با آن یک وارونی دیگر که برای راست کردن تصویر وارون تلسکوپ ضرورت دارد، بدست آورد. به همین دلیل ، در بسیاری از دوربینها و سایر دستگاههای دو چشمی ، از این منشور استفاده می‌شود.

 

·        منشور دوه

نوری که به موازات قاعده یک منشور وارد آن می‌شود در درجه اول به قاعده منشور شکسته می‌شود، در آنجا بازتابش داخلی کلی می‌یابد. سپس در وجه مقابل می‌شکند تا دوباره به نوری موازی با قاعده تبدیل شود، از آنجا که قسمت رأس منشور اثری بر پرتوهای بازتابیده از سطح قاعده ندارد، معمولا حذف می‌شود (برش داده می‌شود). آنچه باقی می‌ماند یک منشور دوه نامیده می‌شود.

پیمایش پرتوهای نور در یک منشور دوه معادل عبور آنها از یک تیغه شیشه‌ای است. بنابراین در زاویه تابش غیر عمودی پاشیدگی روی نخواهد داد. اگر هم باشد داخلی است و در سطح دوم جمع می‌شود. یکی از سودمندترین خواص منشور دوه آن است که چرخش منشور حول محوری به موازات جهت انتشار نور در بیرون منشور ، منجر به چرخش تصویر معکوس به اندازه دو برابر زاویه چرخش منشور می‌شود. تعداد ترکیبهای منشوری دیگر خیلی زیاد هست و برخی از آنها برای دستگاه نوری خاصی طراحی شده است.

 

محاسبه ضریب شکست منشورها

ضریب شکست شیشه منشور به توسط رابطه زیر داده می‌شود:

n = sin(A - Dm)/2 / sin(A + Dm)/2

که در آن A زاویه رأس منشور بوده و Dm زاویه کمترین انحراف منشور است. زاویه کمترین انحراف منشور آنچنان زاویه‌ای است که با کوچکترین انحراف از آن زاویه ، منشور از حالت تنظیم خود خارج می‌شود و طیف منشور حذف می‌شود. به عبارتی در چنین زاویه‌ای ، منشور در آستانه تشکیل طیف نور تابشی است.

 

منشور نیکول

مفاهیم پایه

کلسیت (CaCO3) نوعی کریستال دوشکستی است که در سال1669«اراسموس بارتولین» پدیده دو شکستی آن را کشف کرد. زمانی که این کریستال روی نوشته‌ای قرار می‌گیرد، از آن دو تصویر حاصل می‌کند. برای یک پرتو نور که بطور عمود به سطح کریستال می‌رسد، در داخل کریستال دو پرتو خواهیم داشت.

یکی از این پرتوها را پرتو عادی می‌گویند که تابع قانون اسنل است و سرعت و ضریب شکست ثابتی دارد. پرتو دوم ، از قانون اسنل تبعیت نمی‌کند و آنرا پرتو غیر عادی می‌گویند. این پرتو در امتدادهای مختلف داخل بلور ، سرعتهای متفاوت و به تبع آن ضریب شکستهای مختلف خواهد داشت.

در سال 1678«هویگنس» کشف کرد که پرتوهای عادی و غیرعادی ، نور قطبیده هستند. پس وقتی پرتوی ، روی کریستال دوشکستی فرود می‌آید، به دو پرتو که در دو راستای متفاوت انتشار می‌یابند، تقسیم می‌شود. و در هنگام خروج از کریستال دو باریکه پلاریزه خطی بدست می‌آید و این باعث می‌شود که دو تصویر از یک شیئ واحد دیده شود. اگر کریستال را روی جسم بچرخانیم، یکی از این تصویرها ثابت می‌ماند و تصویر دیگر حول آن می‌چرخد و در لحظه خاصی این دو تصویر روی هم منطبق می‌شوند.

تصویر ثابت ، همان تصویری است که از پرتوهای عادی بدست می‌آید. تصویر چرخان هم، تصویر حاصل از پرتوهای غیر عادی می‌باشد. جایی که دو تصویر به یک تصویر واحد تبدیل می‌شوند، محل محور نوری کریستال است. در روی محور نوری ، تمام خصوصیات پرتوهای عادی و غیرعادی یکسان است.

دو نوع کریستال دوشکستی داریم: کریستال دوشکستی مثبت و کریستال دوشکستی منفی. اگر سرعت پرتو عادی بیشتر از پرتو غیر عادی باشد، کریستال را مثبت گویند. به عبارت دیگر ، در کریستال مثبت ، ضریب شکست پرتو عادی کمتر از ضریب شکست پرتو غیر عادی می‌باشد.

اگر سرعت پرتو غیرعادی ، بیشتر از پرتو عادی باشد، کریستال را منفی گویند. یعنی در کریستال منفی ، ضریب شکست پرتو غیر عادی کمتر از ضریب شکست پرتو عادی است. کلسیت از نوع منفی کریستال می‌باشد که به عنوان مثال برای نور زرد ، ضریب شکست پرتو عادی کلسیت 1.69 و ضریب شکست پرتو غیرعادی آن 1.48 می‌باشد (1.48<1.69).

اگر جلوی عبور یکی از این پرتوها را بگیریم، یا آن را به نحوی منحرف کنیم، پرتو دیگر ، پرتو قطبیده‌ای با درجه قطبش بالا خواهد بود. منشور نیکول اولین کریستال دو شکستی قطبنده‌ای است که برای این منظور ساخته شده است.

 

منشور نیکول

در سال 1828«ویلیام نیکول» منشوری ساخت که به نام منشور نیکول معروف شد. او قطعه‌ای از کریستال کلسیت طبیعی را انتخاب کرد که به شکل متوازی السطوحی با زاویه حاده 71 درجه بود ( ساختار هندسی توده کلسیت بصورت متوازی السطوح است).

نیکول برشهایی را در طرفین کریستال ایجاد کرد، تا جایی که زاویه 71 درجه به 68 درجه کاهش یافت، سپس کریستال را در امتداد قطر کوچک آن به دو قسمت تقسیم کرد و با چسبی بنام صمغ کانادا (Canada Balsam) این دو قطعه را به هم وصل کرد ( صمغ کانادا چسبی شفاف برای نور مرئی است، که ضریب شکست آن برای نور زرد 1.55 می‌باشد). بدین ترتیب ، کلسیت به منشور بی‌رنگی بنام منشور نیکول تبدیل می‌شود.

 

 

نحوه عملکرد منشور نیکول

می‌دانیم که نور طبیعی در تمام جهات قطبش دارد، (میدان الکتریکی آن در تمام جهات مولفه دارد) اگر این نور تحت زاویه‌ای نسبت به محور نوری به منشور نیکول بتابد، در اولین سطح جدایی (بین هوا و لبه منشور) پدیده دو شکستی ، آن را به مولفه‌های قطبیده موازی و عمود بر محور نوری تجزیه می‌کند.

بنابراین در دومین سطح جدایی (بین لبه بریده شده منشور و صمغ کانادا) دو پرتو دارای زاویه تابش متفاوتی خواهند بود. با توجه به اینکه ضریب شکست کلسیت برای پرتو غیر عادی و ضریب شکست صمغ کانادا تقریبا باهم برابرند، لذا پرتو غیر عادی با کمی بازتابش وارد نیمه دوم کریستال می‌شود و در نهایت از طرف دیگر بلور در امتداد موازی با پرتو فرودی و با کمی جابجایی خارج می‌شود.

ولی در مورد پرتو عادی ، چون ضریب شکست کلسیت بیشتر از ضریب شکست صمغ کانادا است، یعنی نور از محیط غلیظ وارد محیط رقیق می‌شود، پس احتمال بازتابش داخلی کلی وجود دارد. بدین ترتیب ، پرتو عادی پس از بازتابش کلی ، به طرف قاعده منشور منحرف می‌شود.

حال اگر مجموعه‌ای از پرتوها را به منشور نیکول بتابانیم، پرتوهای غیرعادی از وجه مقابل و پرتوهای عادی از قاعده خارج می‌شوند. در اغلب موارد ، روی قاعده موادی قرار می‌دهند تا پرتو بازتاب یافته را جذب کند و فقط از پرتوهای قطبیده عبوری استفاده می‌کنند. ولی در بعضی از دستگاههای نوری ، پرتوهای بازتابیده نیز که دارای درجه قطبش بالایی هستند، در قسمت دیگری از سیستم مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در منشورهای پیشرفته بجای صمغ کانادا ، لایه نازکی از مواد خاصی را قرار می‌دهند. امروزه معروفترین این منشورها ، منشور گالن تیلور می‌باشد که بهترین قطبش دهنده نور است و می‌توان گفت نور عبوری تماما قطبیده است. منشور نیکول اغلب به عنوان یک آنالیزور استفاده می‌شود، فقط در ساخاریمتر (Saccharimeter) به عنوان پلاریزور مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 


.: Weblog Themes By Pichak :.


تمامی حقوق این وبلاگ محفوظ است | طراحی : پیچک