Почему световой луч разлагается только после двукратного преломления?

Нет. Луч разлагается и при однократном преломлении. Просто в обычных лабораторных условиях и входной луч, и выходной, попадающий на внешний экран, идут по воздуху, поэтому среда, вызывающая дисперсию, волей-неволей оказывается ограниченной двумя поверхностями - входной и выходной.

Если взять большую призму и сделать одну из её поверхностей (выходную) матовой, то спектр можно будет увидеть и при однократном преломлении. Единственное условие - что входной луч должен быть достаточно узким. Он может быть плоским, но в том направлении, в котором он будет отклоняться, он должен быть максимально тонким.