如何使用直角棱镜转折光束

文章来源：锐光凯奇raycage

原文作者：锐光凯奇

本文主要讲述如何使用直角棱镜转折光束。

光学直角棱镜是一种常见的光学元件，它能够将光线的传播方向精确地偏转90度。这种功能看似简单，却在许多光学仪器和日常设备中发挥着重要作用。本文将从基础知识的角度，结合图示描述，带你了解直角棱镜的工作原理和应用。

在任何无论是复杂还是简单的光学仪器系统中，都缺少不了光束的直角转折，主要是解决空间约束，实现紧凑型光学系统（如显微镜、激光加工设备中），通过直角转折可以折叠光路，显著减小设备体积；当多光束并行时，直角转折能防止光束交叉干扰（例如分光镜后的检测光路与主光路分离）。实现直角转折主要是采用平面反射镜和直角棱镜，本期推送的内容主要是考虑使用直角棱镜。

图1 直角棱镜转折光路的二种使用方法

直角棱镜通常是一个透明的三角柱体，由光学玻璃或晶体材料制成，它的横截面是一个等腰直角三角形，具有两个直角面和一个斜面（见图1）。具体有图1的两种使用方法：第一种是光线从其中一个直角面垂直入射，经过斜面的全反射后（图1左），从另一个直角面垂直射出，方向偏转90度；另外一种方法是图1右，光线直接入射到斜面后，光线转折45度（其实这种方法就是等效于使用反射镜完成光线转折的功能。

图1左的情况下，当光线从直角面垂直入射时，由于入射角为0度，光线不会发生折射，光线直接进入棱镜内部入射到斜面时，入射角为45度。对于常见的光学玻璃（折射率约为1.5），临界角约为42度，因此45度的入射角满足全反射条件。在斜面上发生全反射的光线从另一个直角面垂直射出，方向与入射光线成90度夹角。直角棱镜的这种特性使其成为光学系统中改变光路方向的理想元件。它不仅能够高效地偏转光线，还能保持光线的平行性和光强。

图1右的情况比较简单，斜面上需要镀反射膜，如果不镀膜，光线在斜面上会发生折射，降低了反射率很难达到90%以上。

使用全反射的方法光线转折90度取决棱镜的加工角度误差，要求非常的严格，而在斜面入射转折对棱镜的角度没有要求，就是等效于一个反射镜。

一般情况下来讲，对系统的精度和稳定性要求不高的情况下，可以使用斜边入射的方法实现光路转折，但是使用全反射方法转折光路有其独特优势：

高效反射：全反射现象几乎不损失光强，确保光线的高效传播；

精确偏转：棱镜的角度经过精密加工，偏转精度可达角秒级别；

结构紧凑：相比于反射镜，棱镜体积更小，适合在有限空间内使用；

稳定性高：棱镜的固定方式简单，不易受振动影响。

但是如果不是在平行光路使用，某些入射光的角度不满足全反射的要求就不能使用这种方法，只能使用镀膜的斜面直接入射完成光线的转折。