Lăng kính và bộ tách chùm tia

Lăng kính và bộ phân tách chùm tia là những thành phần chủ yếu bẻ cong, phân tách, phản xạ, và uốn khúc tia sáng qua đường truyền của cả quang hệ đơn giản và phức tạp. Được cắt và hàn với dung sai đặc biệt và góc chính xác, lăng kính là khối thủy tinh, hoặc chất liệu trong suốt khác, nhẵn bóng, có thể dùng làm uốn cong hoặc làm lệch hướng chùm tia sáng, làm quay hoặc đảo ngược ảnh, phân tách các trạng thái phân cực, hoặc làm tán sắc ánh sáng thành các bước sóng thành phần của nó. Nhiều thiết kế lăng kính có thể thực hiện nhiều chức năng, thường bao gồm việc làm thay đổi đường nhìn và đồng thời làm giảm quang trình, do đó làm giảm kích thước của dụng cụ quang.

Giống như tên goi, bộ tách chùm được dùng để gởi trả lại một phần chùm tia sáng, đồng thời cho phép phần còn lại tiếp tục đi theo đường thẳng. Bộ tách chùm có thể đơn giản là một bản thủy tinh hình vuông hoặc hình chữ nhật tráng một chất phản xạ, hoặc chúng có thể tích hợp dạng lớp phủ bề mặt trong những cơ cấu quang nhiều thành phần phức tạp. Bộ tách chùm phổ biến nhất sử dụng hai lăng kính góc vuông tráng ở cạnh huyền, tạo ra một bề mặt bán phản xạ, và rồi hàn lại với nhau thành hình lập phương. Khi hợp nhất vào một quang hệ, một phần ánh sáng truyền qua khối bị lệch góc 90 độ khi chạm phải ranh giới tráng gương giữa hai lăng kính hình nêm. Phần còn lại truyền qua khối không bị lệch. Ngoài việc có thể chia chùm tia sáng thành hai thành phần, bộ tách chùm cũng có thể được dùng để kết hợp hai chùm tia sáng hoặc các ảnh tách rời thành một.

Bộ tách chùm và lăng kính không chỉ có mặt trong những thiết bị quang thông dụng đa dạng, như camera, ống nhòm, kính hiển vi, kính thiên văn, kính tiềm vọng, và thiết bị phẫu thuật, mà còn có mặt trong nhiều thiết bị khoa học phức tạp, như giao thoa kế, máy đo ảnh phổ, và huỳnh quang kế. Cả hai công cụ quang quan trọng này đều cần thiết cho các ứng dụng laser yêu cầu điều khiển chặt chẽ hướng  chùm tia đến dung sai chính xác, với lượng ánh sáng bị thất thoát do tán xạ và phản xạ không mong muốn ít nhất. Minh họa trong hình 1 là sơ đồ cấu tạo ống quan sát của kính hiển vi hai mắt nhìn điển hình. Để làm lệch ánh sáng do vật kính thu thập vào cả hai thị kính, trước tiên phải chia ánh sáng ra bằng bộ tách chùm, rồi hướng chúng qua lăng kính phản xạ vào ống dẫn sáng hình trụ song song. Như vậy, ống quan sát hai mắt nhìn sử dụng cả kĩ thuật lăng kính và bộ tách chùm để lái các chùm tia sáng có cường độ bằng nhau vào các thị kính.

Lăng kính có thể tạm chia thành ba loại chính: lăng kính phản xạ, lăng kính phân cực, và lăng kính khúc xạ hoặc tán sắc. Loại thứ nhất được dùng để gởi lại chùm tia sáng bằng sự phản xạ nội toàn phần, còn loại thứ ba có thể dùng để bẻ cong và tách ánh sáng thành các màu thành phần của nó. Ngược lại, lăng kính phân cực là tinh thể lưỡng chiết chia ánh sáng tới chưa phân cực thành các thành phần riêng biệt trực giao lẫn nhau. Lăng kính này được dùng để tạo ra ánh sáng phân cực cho các quang cụ như kính hiển vi và máy đo phân cực.

Gương thường được sử dụng nhằm làm gấp khúc ánh sáng qua một quang hệ. Lăng kính cũng có thể đóng vai trò tương tự, trừ khi bề mặt phản xạ nội của lăng kính xử sự như các gương ghép chặt với nhau với mỗi mặt có sự định hướng cố định đối với nhau. Đặc điểm này hấp dẫn các nhà chế tạo, vì một khi lăng kính được chế tạo, nó sẽ giữ được các thông số định hướng không bị lệch và không yêu cầu điều chỉnh thêm trong cơ cấu cuối cùng, trừ khi lăng kính tự nó định vị. Tùy theo góc tới của chùm tia sáng, lăng kính có thể khúc xạ ánh sáng hoặc cho phép nó đi vào không bị lệch và chịu sự phản xạ nội toàn phần, nếu như chiết suất đủ lớn và góc nội lăng kính có dạng hình học thích hợp.

Lăng kính phản xạ

Các thông số góc biểu hiện bởi lăng kính rất phong phú dẫn tới việc mở rộng bất ngờ công dụng của lăng kính như là những thành phần quang chiến lược. Lăng kính phản xạ thường được thiết kế để đặt ở những định hướng đặc biệt, trong đó mặt đến và mặt ra vừa vuông góc vừa song song với trục quang. Ví dụ, lăng kính góc vuông có hình học đơn giản của tam giác vuông 45 độ (xem hình 2) và là một trong những lăng kính được sử dụng phổ biến nhất cho việc lái ánh sáng và làm quay ảnh. Một bó sóng ánh sáng song song đi vào một trong hai mặt nhỏ (hoặc chân) của lăng kính ở góc vuông, bị phản xạ từ mặt cạnh huyền (dài nhất) và đi ra qua chân bên kia. Nếu lăng kính được chế tạo từ chất liệu có chiết suất lớn hơn căn bậc hai của 2 (khoảng 1,414), thì ánh sáng sẽ chịu sự phản xạ nội toàn phần tại ranh giới thủy tinh/không khí khi đi trong lăng kính.

Đặc điểm này khiến lăng kính trở thành vật thay thế hấp dẫn cho gương, vì không yêu cầu tráng kim loại hay chất lưỡng cực lên mặt phản xạ, đóng vai trò bộ phản xạ gần như hoàn hảo. Sự tán xạ và thất thoát ánh sáng duy nhất xảy ra (thường chỉ vài phần trăm) là do khiếm khuyết nhỏ của bề mặt, sự hấp thụ bởi chất làm lăng kính, và sự phản xạ tại chân vào và chân ra của lăng kính. Sự mài nhẵn tỉ mỉ bề mặt và áp dụng chất phủ chống phản xạ thích hợp cho các chân sẽ làm giảm tối thiểu những sự thất thoát ánh sáng thứ yếu này. Theo định hướng này, lăng kính góc vuông hoạt động như một hệ đảo ảnh với mặt trên thực hiện nhiệm vụ của gương phẳng bằng cách tạo ra ảnh nghịch từ ảnh thuận, và ngược lại. Chú ý trong hình 2a là quả đấm màu đỏ và đầu định hướng dưới đã quay đi, còn mặt trái và phải vẫn ở vị trí cũ.

Định hướng lại lăng kính góc vuông, sao cho bây giờ ánh sáng đi vào và đi ra qua mặt cạnh huyền, tạo thành gương không đảo chiều, như minh họa trong hình 2. Thường được gọi là lăng kính Porro, chùm tia sáng trong cấu hình này chịu hai sự phản xạ nội sau khi nó đi vào lăng kính và bị lệch 180 độ khi đi ra. Kết quả là ảnh bị lộn ngược trên xuống dưới, nhưng không đảo trái sang phải. Khi lăng kính được dùng theo kiểu này, nó thường được gọi là lăng kính độ lệch không đổi, vì các tia sáng tới và tia sáng ló song song nhau, bất kể góc ánh sáng đi vào lăng kính. Lăng kính Porro cũng được sử dụng trong cơ cấu hai mắt nhìn truyền thống, trong đó chúng ghép đôi trực giao với nhau để trước tiên làm lộn ngược, rồi sau đó làm đảo chùm tia sáng, tạo ra ảnh thẳng đứng, hay cùng chiều. Bộ lăng kính song sinh này làm gấp khúc đường đi tia sáng của quang hệ và cũng làm dịch chuyển ảnh cả chiều ngang và chiều dọc đi nửa chiều dài cạnh huyền theo mỗi hướng. Lăng kính hai mắt nhìn luôn được chế tạo với các góc bầu để làm giảm trọng lượng và kích thước, và có một rảnh nhỏ cắt vào mặt cạnh huyền nhằm làm cản trở các tia sáng phản xạ nội ở những góc sớt qua.

Định hướng thứ ba của lăng kính góc vuông so với chùm tia sáng tới (hình 2c) thường được gọi là lăng kính bồ câu, có công dụng làm bộ quay ảnh. Lăng kính bồ câu thường có phần chóp hình tam giác không cần thiết bị cắt bỏ, vừa làm giảm trọng lượng vừa làm giảm sự phản xạ nội sai lạc. Một bó tia sáng đi vào lăng kính bồ câu song song với mặt cạnh huyền, và bị khúc xạ xuống dưới tại chân thứ nhất về phía mặt trong dài hơn. Khi bị phản xạ nội toàn phần bởi mặt cạnh huyền, ánh sáng lại bị khúc xạ lần nữa khi nó ra khỏi lăng kính qua chân bên kia và tiếp tục đi theo hướng cũ mà nó truyền trước khi đi vào lăng kính. Vì lăng kính bồ câu có độ loạn thị cao khi ánh sáng hội tụ truyền qua, nên nó hầu như dùng riêng với ánh sáng chuẩn trực. Lăng kính bồ câu không làm lệch hoặc làm dịch chuyển ảnh, nhưng nó có thể được dùng làm đảo hoặc lộn ngược ảnh.

Mặc dù thoạt nhìn thì lăng kính bồ câu có vẻ là ứng cử viên tốt đối với sự tán sắc (do góc tới của chùm tia sáng), nhưng sự truyền ánh sáng qua lăng kính này thật sự tương đương với sự truyền qua một phiến thủy tinh có mặt hỗ trợ làm quay ảnh. Một hệ quả lí thú của hình học kiểu bồ câu là lăng kính bị quay theo trục dọc. Trong sự định hướng trong hình 2c, ánh sáng truyền qua lăng kính bồ câu hình thành ảnh lộn ngược tử trên xuống dưới và đảo từ phải sang trái. Tuy nhiên, nếu lăng kính quay đi 45^o, thì ảnh thu được quay đi 90^o, và khi lăng kính quay đi thêm 45^o nữa (tức là quay tổng cộng 90^o, lăng kính nằm trên “mặt” của nó), lúc này ảnh quay đi 180^o. Như vậy, ảnh quay nhanh gấp hai lần lăng kính. Trong thực tế, hai lăng kính bồ câu thường hàn với nhau ở mặt cạnh huyền (sau khi đặt một mặt gương lên những mặt này) tạo thành bộ đôi thấu kính có khả năng làm thay đổi hướng nhìn cho kính thiên văn, kính viễn vọng, và những quang cụ khác.

Lăng kính phản xạ có thể miêu tả như một bản hoặc khối thủy tinh phẳng song song có bề dày có thể xác định bằng cách gấp lăng kính theo xung quanh các mặt phản xạ của nó, như minh họa trong hình 3. Lăng kính chưa gấp lại được trình bày dưới dạng biểu đồ đường ngầm, và có bề dày bằng với chiều dài của mặt tới và mặt ra. Trên cơ sở thông tin này, bề dày biểu kiến của lăng kính có thể xác định được từ chiết suất, biểu diễn bằng phương trình sau:

Bề dày khả kiến = d/n

trong đó d là bề dày kính (xác định từ lăng kính chưa gấp), và n là chiết suất. Đường đi tia sáng qua lăng kính chưa gấp đối với trường hợp góc vuông đơn giản, và lăng kính Porro tương ứng được biểu diễn trong hình 3a và 3b. Đối với lăng kính góc vuông, bề dày chưa gấp bằng với chiều dài của chân ngắn (qua đó ánh sáng đi vào và đi ra lăng kính). Việc gấp nếp một lăng kính cũng sẽ cho thấy kích thước chùm tia lớn nhất có thể truyền qua mà không phân tán qua các rìa của lăng kính. Biểu đồ đường hầm đối với lăng kính bồ câu được minh họa trong hình 3c, và cho thấy đường đi không gấp khúc của các tia sáng khúc xạ khi chúng truyền qua khối thủy tinh nghiêng so với góc ánh sáng tới. Lưu ý rằng cấu hình này là lăng kính duy nhất trong hình 3 chịu sự khúc xạ tại mặt phân giới vào và ra. Góc tia sáng đi vào lăng kính bồ câu yêu cầu chiều cao của mặt vào bị giới hạn bởi chiều dài của mặt đế (mặt cạnh huyền, hoặc mặt dài). Việc mở ra các thành phần của quang hệ thường là phương pháp tốt nhất để xác định ánh sáng truyền như thế nào qua các lỗ, thấu kính, và các bộ làm lệch góc đa dạng, và có thể nghiên cứu kĩ lưỡng nhằm cải thiện các thông số thiết kế và hiệu suất.

Thay mặt cạnh huyền của lăng kính góc vuông bằng một vòm phản xạ nội toàn phần gồm hai bề mặt đặt lệch 90 độ so với nhau, ta có lăng kính Amici (xem hình 4b). Việc thêm mái vòm ngoài nhiệm vụ duy trì sự đảo 90^o đối với ảnh thu được với thấu kính góc vuông, còn làm quay ảnh đi 180^o xung quanh trục chính. Tại mặt vòm, các tia sáng tới tại góc thông thường cho phép chúng truyền qua mặt cạnh huyền giao nhau bởi sự phản xạ nội toàn phần qua lăng kính. Kết quả là làm tách ảnh ở chính giữa và hoán chuyển phần bên trái và bên phải. Lăng kính Amici đắt và khó chế tạo vì góc vòm phải hàn đến dung sai 2-4 giây cung để tránh sự hình thành ảnh kép. Ngoài ra, việc thêm thành phần vòm làm giảm độ phân giải giới hạn nhiễu xạ đi gần như hai lần theo hướng vuông góc với cạnh vòm, cho dù độ chính xác khi chế tạo là bao nhiêu. Vấn đề này có thể được khắc phục một phần bằng cách tráng nhiều lớp lên bề mặt.

Một kiểu phổ biến khác, lăng kính năm mặt (hình 4a), làm lệch ánh sáng qua góc 90^o không đổi mà không làm đảo ảnh (không nên nhằm lăng kính này với lăng kính penta sử dụng trong camera phản chiếu một thấu kính, cùng dùng một lăng kính vòm để tạo ra ảnh thẳng đứng). Như minh họa trong hình 4a, lăng kính năm mặt làm phản xạ ánh sáng từ hai mặt bên trong tại những góc không đủ để chịu sự phản xạ nội toàn phần, do đó yêu cầu phải tráng gương lớp mỏng ở mặt ngoài. Lăng kính năm mặt cũng thường được gọi là hình vuông quang học (khi sử dụng trong thiết bị trắc địa), vì tia sáng vào bị lệch góc như nhau, bất kể sự định hướng lăng kính so với hướng nhìn. Lăng kính hình bình hành chế tạo có hình dạng hình bình hành làm dịch chuyển chùm tia hoặc hướng nhìn mà không ảnh hưởng tới sự định hướng ảnh (hình 4c). Lăng kính này có hai mặt (chân) phản xạ song song nhỏ hơn bị cắt ở góc 45^o từ vật hình chữ nhật dài hơn nhiều. Những mẫu thấu kính đa dạng khác có những tính chất độc đáo, chủ yếu cho ảnh thẳng đứng hoặc đảo ảnh, cho phép chúng thực hiện nhiều chức năng đặc biệt trong quang hệ.

Lăng kính phân cực

Nhà vật lí người Scotland William Nicol là người đầu tiên nghĩ ra lăng kính phân cực bằng cách cắt khoáng vật calcite (spar Iceland) hình bình hành theo đường chéo, tráng các bề mặt mới cắt, rồi hàn chúng lại với nhau bằng nhựa Canada. Kết quả thu được là một tinh thể lưỡng chiết trong suốt, gọi là lăng kính Nicol, phân tách có hiệu quả ánh sáng phân cực tại ranh giới giữa hai nửa tinh thể. Khi đi vào lăng kính qua một chân góc nhỏ (song song với trục dọc của tinh thể), ánh sáng không phân cực bị tách thành hai thành phần phân cực, gọi là sóng thường và sóng bất thường, truyền trong tinh thể với tốc độ khác nhau. Hai sóng ánh sáng phân tách cũng có hướng dao động vectơ điện trường hợp với nhau góc 90^o. Khi sóng ánh sáng phân tách chạm tới ranh giới giữa hai phần tinh thể, thành phần thường bị khúc xạ ở mức độ nhiều hơn và bị hấp thụ bởi lớp sơn đen phía mặt ngoài của lăng kính. Trái lại, tia bất thường truyền qua ranh giới và ló ra khỏi lăng kính hơi bị dịch một chút, nhưng vẫn truyền theo hướng song song với ánh sáng tới. Ánh sáng phân cực phẳng có thể dùng để rọi sáng các mẫu vật lưỡng chiết trong kính hiển vi hoặc những dụng cụ khác yêu cầu cung cấp ánh sáng có dao động vectơ điện trường giới hạn trong một mặt phẳng.

Những biến thể phổ biến khác của lăng kính Nicol có kính phân cực Glan-Foucault (xem hình 5a), gồm hai lăng kính calcite giống hệt nhau cắt sao cho trục quang song song với cạnh góc, và gắn với một khe không khí nhỏ sao cho các mặt tinh thể dài song song với nhau. Lăng kính này trong suốt đối với các bước sóng từ khoảng 230nm, trong vùng phổ tử ngoại, tới bức xạ hồng ngoại trên 5000nm. Phạm vi truyền bước sóng rộng như vậy cho phép lăng kính Glan-Foucault được sử dụng trong nhiều thiết bị đa dạng. Giống như lăng kính Nicol, ánh sáng tới chạm tới lăng kính Glan-Foucault bị tách thành sóng thường và sóng bất thường dao động song song hoặc vuông góc với trục quang. Tuy nhiên, trong trường hợp này, sóng ánh sáng phân tách truyền qua lăng kính mà không khúc xạ cho tới khi chúng chạm tới ranh giới thủy tinh/không khí, tại đây tia thường bị phản xạ nội hoàn toàn, nhưng tia bất thường truyền qua ranh giới đó và chỉ bị lệch một chút.

Nếu hai nửa tinh thể dán với nhau, lăng kính khi đó được gọi là kính phân cực (hay lăng kính) Glan-Thompson, và có thể chịu được bức xạ cường độ mạnh hơn, ví dụ như bức xạ phát ra từ một nguồn laser cường độ cao. Lăng kính lưỡng chiết thứ ba là lăng kính Wollaston, thực ra là một bộ tách chùm phân cực chế tạo từ hai phần calcite hoặc thạch anh hàn với nhau với trục quang định hướng trực giao (hình 5b). Ánh sáng phân cực truyền qua lăng kính Wollaston bị tách thành các sóng trực giao, như mô tả ở phần trên đối với các lăng kính phân cực khác. Tuy nhiên, khi sóng thường và sóng bất thường chạm tới lớp tiếp giáp hàn chéo góc, chúng trao đổi nhân dạng, bị khúc xạ theo hướng khác nhau, và ló ra khỏi lăng kính hơi dịch ra xa nhau. Góc lệch (thường gọi là góc biến dạng) giữa hai sóng ánh sáng đi ra được xác định bởi góc nêm của lăng kính, thường thay đổi từ 15 đến 45^o.

Một số dạng khác của lăng kính kiểu Glan có thể thu được bằng cách thay đổi định hướng trục quang calcite hoặc thạch anh so với từng nửa tinh thể (như minh họa trong hình 5). Lăng kính Rochon (hình 5c) đặt các trục trực giao với nhau và sắp xếp sao cho ánh sáng không phân cực tới đi vào lăng kính song song với trục quang (và không bị tách ra). Khi sóng ánh sáng truyền qua lớp tiếp giáp trong lăng kính Rochon, chúng đi vào một vùng mới trong đó trục quang định hướng vuông góc với sóng. Việc này khiến ánh sáng bị tách thành các thành phần thường và bất thường, với sóng thường truyền qua không bị lệch và sóng bất thường bị khúc xạ khỏi theo hướng vuông góc. Kịch bản ngược lại có thể thu được với lăng kính Senarmont, cũng có trục của phần tinh thể thứ nhất định hướng song song với nguồn chiếu sáng tới. Tuy nhiên, khi sóng ánh sáng chạm tới ranh giới trong lăng kính Senarmont (xem hình 5d), sự định hướng của trục quang trong nửa thứ hai của tinh thể cho phép tia bất thường truyền qua không bị lệch, nhưng làm khoảng cách sóng thường. Những lăng kính này có thể sử dụng để lựa chọn các định hướng riêng biệt của ánh sáng phân cực cho những ứng dụng quang đặc biệt.

Lăng kính tán sắc (lăng kính khúc xạ)

Minh chứng đầu tiên cho sự khúc xạ và tán sắc ở lăng kính tam giác được thực hiện bởi nhà vật lí người Anh Isaac Newton vào cuối những năm 1600. Newton đã chỉ rõ rằng ánh sáng trắng có thể bị tách thành các màu thành phần của nó bởi một lăng kính đều có các mặt và các góc bằng nhau. Nói chung, một lăng kính khúc xạ hoặc tán sắc có hai hay nhiều bề mặt phẳng định hướng theo kiểu thích hợp sao cho nó làm khúc xạ chứ không phản xạ chùm ánh sáng tới. Khi tia sáng chạm tới bề mặt của một thấu kính tán sắc, nó bị khúc xạ khi đi vào theo định luật Snell và rồi truyền qua thủy tinh cho đến khi chạm tới bề mặt thứ hai. Một lần nữa, tia sáng lại bị khúc xạ và ló ra khỏi lăng kính theo một đường đi mới (xem hình 6). Vì lăng kính làm thay đổi hướng truyền của ánh sáng, nên các sóng truyền qua lăng kính được nói là bị lệch đi một góc nhất định, có thể được xác định rất chính xác bằng cách áp dụng định luật Snell cho hình học lăng kính. Góc lệch là nhỏ nhất khi sóng ánh sáng đi vào lăng kính với góc cho phép chùm tia truyền qua thủy tinh theo hướng song song với đế.

Độ lệch của tia sáng do lăng kính mang lại là một hàm của góc tới, góc chóp (đỉnh) lăng kính, và chiết suất của chất cấu tạo nên lăng kính. Khi giá trị chiết suất lăng kính tăng, thì góc lệch của tia sáng truyền qua lăng kính cũng tăng. Chiết suất thường phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, bước sóng càng ngắn (ánh sáng xanh dương) thì bị khúc xạ ở góc càng lớn so với bước sóng dài (ánh sáng đỏ). Sự biến thiên này của góc lệch theo bước sóng được gọi là sự tán sắc, và là nguyên nhân gây ra hiện tượng mà Newton quan sát thấy cách nay đã 300 năm.

Sự tán sắc có thể điều chỉnh tốt bằng cách chọn loại thủy tinh có chiết suất thích hợp đặc trưng cho một ứng dụng nhất định. Nói chung, đặc điểm tán sắc của những loại thủy tinh khác nhau có thể so sánh qua số Abbe, được xác định bằng cách đo chiết suất của những bước sóng tham chiếu nhất định truyền qua loại thủy tinh đó. Số Abbe cho những loại thủy tinh phổ biến dùng chế tạo lăng kính được cho trong bảng 1. Như có thể thấy rõ ràng từ bảng 1, số Abbe càng nhỏ cho công suất tán sắc càng cao, tức là góc mở của các màu trong phổ ánh sáng ló ra càng lớn.

Ứng dụng chủ yếu của lăng kính tán sắc là tách các bước sóng trong lĩnh vực quang phổ học, ngành vật lí tập trung nghiên cứu và phân tích quang phổ. Mặc dù lăng kính từng được chọn làm thành phần quang cho quang phổ kế và máy đo ảnh phổ, nhưng hiện nay cách tử nhiễu xạ đảm đương vai trò chính trong những thiết bị này. Cách tử tạo ra sự tán sắc vạch của ánh sáng trắng chứ không phải góc phức tạp tuân theo mối quan hệ bước sóng biểu hiện bởi lăng kính. Tuy nhiên, lăng kính thật sự có một vài tiện lợi so với cách tử, như khả năng linh động cao, không có hiện tượng nhiễu xạ bậc cao không mong muốn, và ánh sáng thất thoát ít hơn.

Vật liệu và việc chế tạo lăng kính

Để cho một lăng kính hoạt động ở những đặc điểm kĩ thuật theo yêu cầu, nó phải được chế tạo từ đúng loại thủy tinh và không bị kéo căng hoặc bị khiếm khuyết bên trong. Tất cả các mặt của lăng kính phải hoàn toàn phẳng và gắn với nhau ở những góc chính xác (mặc dù các góc này ở một số lăng kính thì quan trọng hơn nhiều so với những lăng kính khác) lệch không quá 5 đến 10 phút cho những công dụng nói chung, nhưng giữ đến chỉ vài giây đối với những ứng dụng quan trọng, ví dụ như lăng kính vòm. Vật liệu thừa tại các góc luôn bị cắt bỏ việc sứt mẻ và gãy vỡ và làm giảm tối thiểu trọng lượng và kích thước của lăng kính. Các mặt bên ngoài phải được giữ sạch sẽ đến tiêu chuẩn quang chính xác nhất, có thể thực hiện bằng cách áp dụng một lớp phủ sơn mài hoặc tráng bạc bề mặt thích hợp. Trong nhiều trường hợp, người ta khắc khía lên bề mặt để loại trừ ảnh ma tạo bởi sự phản xạ nội sai lạc.

Những thay đổi ở mật độ thủy tinh trong vật liệu làm lăng kính có thể tạo ra sự méo ảnh và làm thay đổi đặc trưng tán sắc của thủy tinh. Tương tự, các bọt hoặc vụn tạp chất trong thủy tinh có thể tạo ra sự nhiễu xạ và làm giảm sự truyền sáng. Thủy tinh được chọn cho chế tạo lăng kính được đặc trưng bởi chiết suất, độ tán sắc, và các tính chất truyền sáng của chúng.

Bộ tách chùm tia

Bộ tách chùm là một thành phần quang phổ biến cho truyền qua một phần và phản xạ một phần chùm tia sáng tới, thường với tỉ lệ không bằng nhau. Ngoài nhiệm vụ tách chùm tia, bộ tách chùm còn có thể dùng làm tái kết hợp hai chùm tia sáng hoặc ảnh phân tách vào một đường đi. Cấu hình đơn giản nhất đối với một bộ tách chùm là một bản thủy tinh phẳng không tráng (như bàn soi kính hiển vi) có năng suất phản xạ bề mặt trung bình khoảng 4%. Khi đặt ở góc 45^o, bản sẽ cho truyền qua đa phần ánh sáng, nhưng phản xạ một lượng nhỏ ở góc 90^o so với chùm tia tới. Đúng như tên gọi bản tách chùm, bản thủy tinh crown quang được thiết kế tráng bạc một phần nhằm tạo ra tỉ số truyền qua-phản xạ theo yêu cầu. Tỉ số này luôn biến thiên trong khoảng giữa 50:50 và 20:80, phụ thuộc vào từng ứng dụng.

Nói chung, một màng kim loại hay lưỡng cực lắng lên mặt trước (đối diện với nguồn rọi sáng tới) của bản tách chùm, còn một lớp phủ chống phản xạ được tráng lên mặt sau (xem hình 7). Chất phủ chống phản xạ được chọn phù hợp với góc tới của ánh sáng nhằm làm giảm tối thiểu lượng ánh sáng phản xạ khỏi mặt sau của bản và làm giảm khả năng tạo ảnh ma. Các chất chống phản xạ tiêu biểu chỉ có hệ số phản xạ khoảng 0,5% ở góc tới 45^o. Lớp phủ lưỡng cực cũng phải được xử lí tốt nhằm mang lại năng suất phản xạ, các đặc điểm phân cực, và sự phân bố bước sóng thích hợp ở góc mà bộ tách chùm được thiết kế. Vì cả chất phủ lưỡng cực và chất phủ chống phản xạ đều có sự hấp thụ không đáng kể trong vùng ánh sáng khả kiến (điển hình là 0,5% đối với bộ tách chùm 50:50 ở góc 45^o), nên bản tách chùm lí tưởng cho nhiều ứng dụng rộng rãi.

Một trong hệ quả lớn nhất của việc sử dụng chất phủ lưỡng cực cho việc chế tạo bộ tách chùm là sự truyền và phản xạ không bằng nhau đối với các thành phần phân cực p và s (song song và vuông góc) của chùm tia sáng tới không phân cực. Kết quả là một số bộ tách chùm lưỡng cực chia ánh sáng không bằng nhau theo trạng thái phân cực có thể gây khó khăn trong nhiều ứng dụng. Khi sử dụng lớp phủ lưỡng cực, hiện tượng này thường có thể khắc phục bằng cách thay đổi sự định hướng vectơ phân cực của ánh sáng tới. Ngoài ra, hiệu ứng phân cực có thể làm giảm qua việc sử dụng lớp phủ lưỡng cực màng mỏng nhiều lớp phức tạp hơn, nhưng thường làm tiêu hao các mặt hiệu suất khác.

Các lớp phủ bộ tách chùm không phân cực chuyên dụng được thiết kế dành cho dùng với ánh sáng laser phân cực, trong đó bức xạ tới phải duy trì hướng phân cực của nó trong cả chùm truyền qua và chùm phản xạ. Các lớp phủ có thể thực sự mang lại sự tách rõ ràng 50/50 năng lượng laser, bất kể trạng thái phân cực của chùm tia tới. Là một mặt lợi thế, ánh sáng không phân cực tới trên những lớp phủ này có cả thành phần song song lẫn vuông góc truyền qua ở tỉ lệ hầu như bằng nhau. Các bộ tách chùm dạng bản cũng có thể thiết kế để hoạt động như các bộ lọc cạnh sóng dài và sóng ngắn (khi đặt ở góc 45^o) cho những ứng dụng yêu cầu việc chọn lọc bước sóng nhất định. Trong trường hợp bộ lọc sóng dài, các bước sóng dài được truyền qua và các bước sóng ngắn bị phản xạ ở góc 90^o so với chùm tia tới. Bộ lọc sóng ngắn hoạt động theo kiểu ngược lại (cho truyền qua bước sóng ngắn và phản xạ bước sóng dài). Các bộ tách chùm hoạt động như bộ lọc cạnh thường được gọi là gương lưỡng sắc.

Bộ tách chùm hình lập phương được chế tạo bằng cách dán hai mặt cạnh huyền của một cặp lăng kính góc vuông với nhau, có màng phản xạ một phần lắng trên mặt của một lăng kính (hình 8a). Cả bốn mặt của bộ tách chùm hình lập phương được xử lí một lớp phủ chống phản xạ nhằm làm giảm tối thiểu ảnh ma. Trong điều kiện lí tưởng, chùm ánh sáng tới phải đi vào bộ tách chùm qua lăng kính có phủ màng phản xạ sao cho sự phản xạ xảy ra trước khi chùm tia chạm tới chỗ hàn nối khối lập phương lại với nhau. Bộ tách chùm hình lập phương chống chấn động cơ và biến dạng cơ tốt hơn bộ tách chùm dạng bản, chủ yếu do bề mặt phản xạ được bảo vệ bằng cách kẹp giữa các lăng kính thủy tinh.

Bộ tách chùm dạng bản có một số thuận lợi so với bộ tách chùm hình lập phương chủ yếu do không có lớp kết dính quang học trong vùng lân cận màng lưỡng cực hoặc màng kim loại, chúng có thể hấp thụ năng lượng ánh sáng và làm giảm sự truyền qua. Hệ quả là bộ tách chùm dạng bản có thể chịu được mức độ bức xạ cao hơn đáng kể mà không bị phá hủy. Bản thủy tinh cũng nhỏ hơn và nhẹ hơn so với khối lập phương lăng kính song sinh, và có thể dễ dàng lắp vào những không gian chật hẹp trong những cơ cấu quang chật ních.

Các chất phủ tiên tiến cho bộ tách chùm hình lập phương gồm có màng kim loại-lưỡng cực lai ghép kết hợp lợi thế của cả hai loại vật liệu. Kết quả là một bộ tách chùm có hiệu suất vừa phải thường có mức hấp thụ khoảng 10% với độ nhạy phân cực rất thấp. Sự hấp thụ làm thất thoát hầu như chia đều giữa chùm truyền qua và chùm phản xạ, và các thành phần phân cực nằm trong 5 đến 10% lẫn nhau. Các lớp phủ băng rộng khác có đặc trưng hấp thụ thấp hơn, nhưng lại cực nhạy với sự phân cực. Các lớp phủ không phân cực lưỡng cực được thiết kế cho hiệu suất cao ở những bước sóng nhất định, thường dùng cho những ứng dụng laser.

Loại bộ tách chùm quan trọng thứ ba được chế tạo từ màng đàn hồi mạnh sức căng cao (như nitrocellulose) kéo căng giống như tấm vải bạt trên một khung kim loại phẳng sơn đen. Được gọi là bộ tách chùm màng mỏng (hình 8b), chiều dày màng thay đổi từ 2 đến 10 micromét, quá mỏng nên nó hầu như loại trừ hết ảnh ma. Ngoài ra, sự quang sai, như sắc sai, quang sai cầu, và loạn thị, đã được làm giảm tới mức tối thiểu khi so với bộ tách chùm dạng bản và hình lập phương, mở rộng bất ngờ khả năng sử dụng cả ánh sáng hội tụ lẫn phân kì. Các màng mỏng không phủ chất cho truyền qua khoảng 92% ánh sáng tới trong vùng phổ khả kiến và hồng ngoại gần, nhưng thường biểu hiện độ hấp thụ không thể chấp nhận được trong vùng tử ngoại. Trong đa số ứng dụng, màng mỏng thường được phủ thêm một lớp màng lưỡng cực mỏng lên mặt đối diện với chùm tia sáng tới. Những bộ tách chùm này thường là nạn nhân của hiện tượng giao thoa do trạng thái quá gần của các bề mặt màng, và chúng cũng là đối tượng cho các dao động âm. Các bề mặt màng mỏng phải tránh bị chạm tiếp xúc và có thể lau sạch chỉ bằng một làn gió nhẹ.

Bộ tách chùm đục lỗ (thường được gọi là bộ tách chùm chấm polka, xem hình 8c) được chế tạo bằng cách tráng một chất thủy tinh quang với một lớp nhôm mỏng có những lỗ hình vuông kích thước đều đặn. Bề mặt thu được có diện mạo “chấm polka”, đúng như tên gọi. Bằng cách điều chỉnh cẩn thận kích thước lỗ, tỉ số diện tích bề mặt phủ và không phủ chất trong bộ tách chùm đục lỗ có thể được điều chỉnh sao cho nó tách đều chùm tia tới thành các thành phần truyền qua và phản xạ. Sóng ánh sáng chạm tới bề mặt không phủ chất thì truyền qua (mất mát vài phần trăm do sự phản xạ từ thủy tinh), còn sóng chạm tới lớp nhôm tráng thì bị phản xạ (thường ở góc 45^o). Bộ tách chùm đục lỗ biểu hiện độ nhạy không đáng kể trong một phạm vi góc rộng, và có ích cho việc tách chùm tia sáng từ các nguồn bức xạ băng rộng, phân kì, như đèn hồ quang thủy ngân và đèn volfram-halogen. Ngoài ra, cấu trúc dạng lưới biểu hiện sự phân kì không đáng kể của chùm tia truyền qua do nhiễu xạ và không chịu sự phân cực. Những bộ lọc này cũng có ích với đèn deuterium và xenon, và tìm thấy ứng dụng trong máy đo ảnh phổ và nhiều quang hệ khác.

Các lăng kính tròn có các bề mặt phẳng đặt hơi sớt qua nhau được gọi là nêm quang học, và làm lệch ánh sáng bằng sự khúc xạ chứ không phản xạ. Mặc dù các nêm về bản chất là hợp bởi lăng kính, nhưng chúng có thể được điều chỉnh để hoạt động như bộ tách chùm hoặc bộ lái chùm tia. Góc mà một nêm làm lệch ánh sáng tới phụ thuộc vào góc giữa mặt vào và mặt ra và chiết suất của thủy tinh chế tạo nên các bản đó. Góc nêm thay đổi từ 2 đến 25 độ và có khả năng chọn lọc kép tương ứng làm lệch chùm tia khúc xạ từ 2 đến 20 cm trên mỗi mét khoảng cách tính từ lăng kính. Hướng ánh sáng khúc xạ sau khi đi qua nêm có thể điều khiển bằng cách quay lăng kính tròn (xem hình 9). Trong nhiều trường hợp, hai nêm ghép đôi và đường đi ánh sáng bị thay đổi đến mức độ còn lớn hơn nữa trong phạm vi 360 độ bằng cách quay các nêm theo hướng ngược nhau. Lăng kính hình nêm hoạt động như bộ tách chùm linh hoạt ngăn cản ảnh ma và lái chùm tia sáng qua đường đi có thể điều chỉnh trong quang hệ.

Cả lăng kính và bộ tách chùm đều là những thành phần quan trọng trong ống ngắm của kính hiển vi, trong đó chúng làm nhiệm vụ làm lệch ánh sáng từ vật kính tới thị kính hoặc cổng camera. Trong những chiếc kính hiển vi hiện đại trang bị ống ngắm hai mắt nhìn, lăng kính cũng được sử dụng để làm thay đổi đường ngắm từ thẳng đứng sang góc 45^o tiện lợi hơn. Gương tách chùm lưỡng sắc cũng quan trọng trong kính hiển vi huỳnh quang, mang lại sự rọi sáng kích thích cho mẫu vật và cho phép huỳnh quang thứ cấp đi vào thị kính, đồng thời chặn lại các bước sóng kích thích bị phản xạ. Những thiết bị quang khác, như kính thiên văn, kính định tâm, và dụng cụ trắc địa cũng dựa trên lăng kính và bộ tách chùm để thực hiện chức năng của chúng.

Tác giả: Kenneth R.Spring, Thomas J. Fellers, Michael Davidson