Что такое поляризаторы виды поляризаторов
Перейти к содержимому

Что такое поляризаторы виды поляризаторов

  • автор:

Что такое поляризаторы виды поляризаторов

Сегодня известно, что видимый свет представляет собой электромагнитные волны с определённой длиной волны. Опыты, в которых была открыта поляризация света, указывают на поперечность этих волн, поскольку свойства продольной волны в плоскости, перпендикулярной направлению её распространения, различаться не могут. При распространении электромагнитной волны в ней совершают колебания вектор напряжённости электрического поля Е и вектор магнитной индукции Н. Эти векторы всегда взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной распространению волны. Если колебания вектора Е происходят в одной плоскости, то говорят, что свет плоскополяризован (или линейнополяризован), а саму эту плоскость называют плоскостью поляризации. Векторы Е и H могут вращаться относительно направления распространения света; в этом случае световая волна обладает сложной поляризацией (круговой или эллиптической).

Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряжённости электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока.

Поляризатор – вещество (или устройство), служащее для преобразования естественного света в плоскополяризованный.

Плоскость поляризации – плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны.

Квант света, излучённый атомом, поляризован всегда. Однако излучение макроскопического источника света (электрической лампочки, Солнца, свечи) является суммой излучений огромного числа атомов. Каждый из них излучает квант примерно за 10 -8 секунды, и если все атомы будут излучать свет с различной поляризацией, то поляризация всего пучка будет меняться на протяжении таких же промежутков времени. Поэтому в естественном свете все эффекты, связанные с поляризацией, усредняются, и его называют неполяризованным. Для выделения из неполяризованного света части, обладающей желаемой поляризацией, используют поляризаторы (например, исландский шпат или турмалин, а также искусственные поляризаторы).

Разберём принцип действия поляризатора на простом механическом примере. Мы создаём волну с помощью верёвки, а в качестве препятствия имеем решётку (рис. 4.6). Если волна поляризована параллельно, то она беспрепятственно проходит сквозь преграду. Напротив, поляризованная в перпендикулярном направлении бегущая волна сквозь преграду уже не пройдёт, а распадётся на две отдельные стоячие волны, отражающиеся в обе стороны от преграды. Таким образом, преграда в виде решётки служит поляризатором для бегущих по верёвке поперечных волн, пропуская лишь волны, поляризованные в узком диапазоне углов в вертикальной плоскости.

В лазерах поляризаторы используются для получения режима модуляции добротности. Модуляция добротности – это метод, применяемый для получения импульсного режима работы лазера. При использовании модуляции добротности лазер работает в импульсном режиме. Основная идея метода состоит в том, что во время накачки намеренно «ухудшают» свойства оптического резонатора, не давая, таким образом, лазеру излучать. Благодаря этому мощность не расходуется на излучение и удаётся получить высокий уровень инверсной населённости энергетических уровней активной среды. Далее свойства резонатора быстро «улучшают» и вся накопленная энергия реализуется в виде короткого, мощного импульса.

С использованием поляризаторов – между зеркалами оптической системы устанавливают поляризатор и устройство с переменными оптическими свойствами (например, ячейку Керра или ячейку Поккельса, которые описаны ниже). Это устройство настраивают так, чтобы плоскость его поляризации была перпендикулярна плоскости поляризации поляризатора. В таком состоянии лазер не излучает ‑ свет, прошедший через поляризатор, не может пройти через ячейку Керра или ячейку Поккельса. Если быстро изменить свойства ячейки так, чтобы плоскости поляризации совпали, то свет сможет пройти через всю систему и лазер начнёт излучать.

Поляризаторы: принцип работы

Поляризаторы: принцип работы

Э кспериментальное обнаружение направления оптической оси Сейчас большинство производителей указывает направление главной оси на корпусе поляризационной оптики. В случае отсутствия маркировки определить направление оси также нетрудно. Пусть падающий пучок смешанной поляризации под углом падает на отражающую поверхность и частично отражается. Если разместить на пути отраженного пучка поляризатор и вращать его в перпендикулярной направлению распространения волны плоскости (рис. 1), интенсивность проходящего излучения будет то уменьшаться, то увеличиваться. При отсутствии внешнего освещения в помещении можно определить направление главной оси поляроида, для этого не требуется никаких специальных устройств или приспособлений. How to affirm the polarizing axis of a polarizer opticsРисунок 1.Направление главной оси поляризатораОпределение оптической оси поляризатора
Стандартная экспериментальная установка содержит лазер, поляризатор на фиксированном расстоянии и линейный поляризатор (поляроид) с известным направлением главной оси. Суть опыта: при взаимно перпендикулярном расположении главных осей поляризаторов 1 и 2 (рис. 2) излучение на выходе из системы полностью гасится. Двойное лучепреломление
Набор оборудования остается тем же, но между поляризаторами размещается волновая пластина. Поворотом пластины при неизменном положении поляризаторов 1 и 2 добейтесь полного гашения излучения. Тогда главная ось волновой пластины совпадет с положением главной оси поляризатора 1. How to affirm the polarizing axis of a polarizer opticsРисунок 2.К определению главной оси поляризатора и иллюстрации двулучепреломления в волновой пластине
Вертикальное направление излучения относительно поверхности стола

  • Если поляризационная оптика не установлена в оправы и не имеет маркировки о расположении главной оси, воспользуйтесь указаниями выше. Поляризатор установите в положение «0 градусов».
  • По стандартам производства поляроид в оправе располагают так, что его главная ось находится в положении 90 градусов. Этот стандарт применим и для волновых пластин, в действительности существует погрешность поворота быстрой оси порядка 2-3 градуса.

Перпендикулярное направление излучения к поверхности образца
Эксперимент с призмой BK7. Источник света расположите так, чтобы свет проходил через поляризатор и, вращая его, его наблюдайте за изменением мощности отраженного от призмы света. Угол падения: 56.6 градусов к полированной поверхности призмы.
При поляризации, параллельной плоскости падения, существует угол падения, называемый углом Брюстера, при котором нет отраженной волны. Отраженная волна будет иметь преимущественную поляризацию перпендикулярно плоскости падения.

Perpendicular to the sample axis

Поляризация отраженной волны
Колебания вектора напряженности, перпендикулярные плоскости падения (отраженный и падающий пучки лежат в одной плоскости), называются s-поляризацией; p-поляризация — поляризация света, для которой вектор напряжённости электрического поля лежит в плоскости падения. В качестве отражающего элемента можно использовать плоскопараллельную пластину BK7 без покрытия. Угол падения отрегулируйте так, чтобы он равнялся углу Брюстера (для BK7 угол Брюстера равен 56.6 градусов). Поляризатор расположите на пути падающего пучка. При вращении поляризатора наблюдается изменение мощности отраженного излучения, помимо отраженного будут наблюдаться поверхностное и обратное отражения. Подобно схеме из пункта выше, ось поляризатора может быть повернута на 0 и на 90 градусов. В качестве плоской пластины можно использовать любой другой образец, в том числе волновую пластину.

Match the polarization to the reflective object

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции OptoSigma на территории РФ

Поляризационные приборы

Сооружения, техника, технологии, материалы

Поляризацио́нные прибо́ры, оптические приборы для получения, преобразования и анализа поляризованного оптического излучения , а также для различных исследований и измерений, использующих явление поляризации света . К поляризационным приборам относятся поляризаторы , фазовые пластинки , оптические компенсаторы , поляризационные призмы , модуляторы света и др.

Поляризационным прибором для получения полностью или частично поляризованного оптического излучения является поляризатор. По характеру поляризации света выделяют линейный, циркулярный и эллиптический поляризаторы.

Действие линейного поляризатора основано на эффектах анизотропного взаимодействия света со средой, таких как двойное лучепреломление , линейный дихроизм , отражение света от наклонной поверхности раздела двух сред.

Световой пучок, распространяющийся в оптически анизотропном кристалле , в общем случае расщепляется на два ортогонально поляризованных пучка. На эффекте двойного лучепреломления основано действие поляризационных призм, в которых разделение пучков происходит в результате полного внутреннего отражения одной из компонент на границе раздела двух сред.

В широко используемых плёночных дихроичных поляризаторах ( поляроидах ) дихроизм достигается однонаправленным растяжением полимерной плёнки , содержащей молекулы красителя с сильной собственной анизотропией. Достоинство поляроидов – компактность, большая угловая апертура и достаточно высокая поляризующая способность; недостатки – невысокая лучевая прочность и существенный хроматизм .

Один из способов получения поляризованного света основан на использовании различия коэффициента отражения для компонент светового луча, поляризованных параллельно и перпендикулярно плоскости падения. В соответствии с формулами Френеля степень поляризации отражённой и преломлённой компонент светового пучка зависит от угла падения . В частности, если световой луч падает на границу раздела под углом Брюстера , то отражённый свет оказывается полностью поляризованным. На этом основано действие отражательных поляризаторов. Их недостатками являются малая интенсивность отражённого света и низкая степень поляризации прошедшего света. Эти недостатки устраняются в поляризаторах, использующих в качестве отражающего элемента многослойное диэлектрическое покрытие . Двухлучевые интерференционные поляризаторы (поляризационные светоделители) обладают высокой интенсивностью и высокой степенью поляризации в отражённом и прошедшем пучках.

Для повышения поляризующей способности отражательных поляризаторов используют также последовательность прозрачных диэлектрических пластинок, расположенных под углом Брюстера к падающему лучу (т. н. поляризационная стопа). Такое устройство обладает очень высокой лучевой прочностью и используется иногда для повышения чувствительности поляриметрических измерений.

В конце 20 – начале 21 вв. широко применяются микропроволочные решётчатые поляризаторы, в которых эффективная анизотропия среды достигается с помощью решётки проводящих нитей с субмикронным периодом, нанесённой на прозрачный диэлектрик . Структура такого типа воспринимается одной поляризационной компонентой световой волны как металлическое зеркало, а другой – как прозрачная диэлектрическая пластинка. Такие поляризаторы характеризуются высокими поляризующей способностью и лучевой прочностью, хорошей угловой апертурой , компактностью и удобством в работе.

Циркулярный поляризатор обычно представляет собой комбинацию линейного поляризатора и четвертьволновой фазовой пластинки (ФП), вносящей фазовый сдвиг π/2 между двумя ортогонально поляризованными компонентами световой волны и преобразующей линейно поляризованный свет в циркулярно поляризованный. Циркулярный поляризатор легко превращается в эллиптический при развороте осей ФП на некоторый угол. В качестве ФП обычно используются пластинки оптически анизотропных кристаллов или ромб Френеля – отражательная ФП из оптически изотропного материала.

Все поляризаторы (линейные, циркулярные, эллиптические) могут использоваться и как оптические анализаторы ; при этом последовательность расположения ФП и линейного поляризатора в составных эллиптических и циркулярных поляризаторах инвертируется.

Деполяризация света обычно достигается не путём истинного устранения взаимной корреляции его поляризационных компонент, а путём перемешивания поляризационных состояний с помощью спектральной, временно́й или пространственной поляризационной модуляции.

В поляризационных модуляторах света обычно используют эффекты наведённой оптической анизотропии [эффекты Керра ( оптический , электрооптический , магнитооптический ), эффект Поккельса , эффект Фарадея , фотоупругость ] при модуляции соответствующего внешнего возмущения ( электрического поля , магнитного поля , деформации ). Поляризационная модуляция света достигается при этом модуляцией разности фаз между двумя ортогональными компонентами светового пучка. Поляризационные модуляторы широко используются во многих оптических приборах.

К более сложным поляризационным приборам относится поляризационный микроскоп , применяемый для определения величины и характера анизотропии кристаллических сред и жидких кристаллов . Для изучения механических напряжений в конструкциях используется поляризационно-оптический метод исследования напряжений.

Поляризационные приборы для измерений вращения плоскости поляризации в средах с естественной и наведённой магнитным полем оптической активностью ( поляриметры ) и дисперсии этого вращения (спектрополяриметры) играют существенную роль в физических исследованиях твёрдых тел , а также в химических и биологических исследованиях. Применение в поляриметрах лазерных источников света позволило достичь чувствительности к углу вращения плоскости поляризации до 10 –7 градуса.

Для обнаружения поляризации света используют полярископы . Степень поляризации частично поляризованного света измеряют с помощью поляриметра . Предельно обнаруживаемая примесь поляризованного света зависит от его интенсивности и достигает относительных значений порядка 10 –8 .

Поляризационные приборы широко применяются в исследованиях электронной структуры атомов , молекул и твёрдых тел, динамики спиновых систем, электрических и магнитных свойств различных сред, поверхностных явлений и оптических свойств тонких плёнок , для регистрации статических механических напряжений, а также акустических и ударных волн в прозрачных средах, при изучении диффузии макромолекул в растворах , для определения содержания оптически активных молекул в растворах и т. д. Принципы поляризационной оптики используются в системах оптической локации и оптической связи , в схемах управления лазерным излучением, в скоростной фото- и киносъёмке и др.

Опубликовано 16 августа 2022 г. в 14:43 (GMT+3). Последнее обновление 16 августа 2022 г. в 14:43 (GMT+3). Связаться с редакцией

Поляризатор

Поляриза́тор —- устройство, предназначенное для получения полностью или частично поляризованного оптического излучения из излучения с произвольным состоянием поляризации [1] . В соответствии с типом поляризации, получаемой с помощью поляризаторов, они делятся на линейные и круговые. Линейные поляризаторы позволяют получать плоскополяризованный свет, круговые — свет, поляризованный по кругу.

Линейные поляризаторы основаны на использовании одного из трёх физических явлений. Одно из них — двойное лучепреломление, другое — линейный дихроизм и третье — поляризация света, происходящая при отражении на границах раздела сред. Круговые поляризаторы обычно представляют собой совокупность линейного поляризатора и четвертьволновой пластинки.

Поляризаторы используются при изучении распределения напряжений в прозрачных объектах с помощью поляризованного света, при изучении структуры органических веществ, в сахариметрии и в особенности в кристаллооптике. Широко применяются в фотографических поляризационных светофильтрах.

Поляризационный светофильтр в оптике и спектроскопии

Поляризационный светофильтр в оптике и спектроскопии – устройство, обычно состоящее из двух линейных поляризаторов и одной или нескольких фазовых пластинок между ними [2] . Предназначен для изменения спектрального состава и энергии падающего на него оптического излучения. Используется в тех случаях, когда достичь желаемого результата иными, более простыми средствами невозможно.

Поляризационный светофильтр в фотографии

Поляризационный светофильтр в фотографии — поляризатор, предназначенный для устранения нежелательных эффектов (бликов, отражений, уменьшение яркости (с одновременным повышением насыщенности) неба и др.) или для достижения художественных целей. Конструктивно оформляется для совместного использования с фотографическими аппаратами. Выглядит как обыкновенный светофильтр, но имеет две части, примерно одинаковой толщины — переднюю и заднюю, которые могут свободно проворачиваться относительно друг-друга. В то время как задняя фиксируется при накручивании поляризационного светофильтра на объектив, вращением передней половины, в которой собственно и расположен поляризатор, достигается нужный эффект выбором угла поляризации. В передней половине поляризационного светофильтра может присутствовать внутренняя резьба для крепления объективной крышки, резьбовой бленды, или других светофильтров, что является неоспоримым плюсом. В частности, у бликующих объектов, разные их части могут давать блики с разными углами поляризации, которые не представляется возможным одновременно подавить только одним фильтром. Кроме того, бликующих объектов в кадре может оказаться много. В таких ситуациях используются несколько скрученных последовательно поляризационных светофильтров, причем, все кроме заднего, должны быть обязательно не круговой, а линейной поляризации, т.к. оптический компенсатор, имеющийся в фильтре с круговой поляризацией, делает невозможным достижение эффекта от остальных поляризационных светофильтров, которые будут расположены за ним ближе к объективу. Оптическая плотность поляризационных светофильтров обычно лежит в пределах от двух до пяти. Цветовые искажения могут присутствовать. В частности, некоторые фильтры имеют спад до одного стопа в сине-фиолетовой области, из-за чего заметно «зеленят» картинку. Так же, недорогие поляризационные светофильтры, чаще чем цветные, могут негативно влиять на воспроизведение мелких деталей. Поляризационный светофильтр, на ряду с «защитным» УФ-блокирующим фильтром, является наиболее используемым светофильтром в фотографии.

Устройство

Для большинства практических применений поляризационный фильтр изготавливают в виде двух стеклянных пластинок с находящейся между ними поляроидной плёнкой, обладающей линейным дихроизмом. Поляроидная плёнка представляет собой слой ацетилцеллюлозы, содержащий большое количество мелких кристаллов герапатита (иодистое соединение сернокислого хинина). Применяются также иодно-поливиниловые плёнки с одинаково ориентированными полимерными цепями. Идентичность ориентации кристаллов достигается с помощью электрического поля, а полимерные цепи ориентируют механическим растяжением. [3] Фильтр с круговой поляризацией дополнительно имеет, кроме того, еще и оптический компенсатор — четвертьволновую фазовую пластинку (по вносимой ею разности хода). В ней используется явление двойного лучепреломления в кристаллах. Скорости обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле (а следовательно, и оптические длины их путей) различны; поэтому, проходя через кристалл, они приобретают разность хода, определяемую его толщиной. Она ставится, по пути следуемого луча, за поляризатором, и при сборке, поворачивается до тех пор, пока её оптические оси не совпадут с осями колебаний. В этом положении четвертьволновая пластинка превращает свет поляризованный линейно, в свет с с круговой поляризацией, (или наоборот,) дополняя разность хода до 90 градусов.

Типы и применение

Пример использования поляризационного фильтра в фотографии. Максимальный эффект достигается при съёмке в направлении, перпендикулярном направлению на Солнце.

  • Поляризационный фильтр линейной поляризации (англ.Linear Polarizer , LP). Содержит один поляризатор, поворачивающийся в оправе. Его применение основывается на том, что часть света в окружающем нас мире поляризована. Частично поляризованы все лучи, неотвесно падающие отражённые от диэлектрических поверхностей. Частично поляризован свет, поступающий от неба и облаков. Поэтому, применяя поляризатор при съёмке, фотограф получает дополнительную возможность изменения яркости и контраста различных частей изображения. Например, результатом съёмки пейзажа в солнечный день с применением такого фильтра может получиться тёмное, густо-синее небо. При съёмке находящихся за стеклом объектов поляризатор позволяет избавиться от отражения фотографа в стекле.
  • Для съёмки в условиях низкой освещённости выпускаются Low Light Polarizer, частично поляризующие свет и потому имеющие низкую кратность. При сложении двух таких фильтров перпендикулярно их плоскостями поляризации вместо полного гашения светового потока получается 2/3 величины потока.
  • Фильтр с круговой поляризацией (англ.Circumpolar , CP, CPL). Помимо поляризатора, содержит так называемую «четвертьволновую пластинку», на выходе которой линейно-поляризованный свет приобретает круговую поляризацию. С точки зрения получаемого на снимке эффекта, круговой поляризатор ничем от линейного не отличается. Появление таких фильтров было продиктовано развитием элементов TTL автоматики фотоаппарата, которые, в отличие от фотоматериала, оказались зависимы от того, является ли попадающий на них через объектив свет поляризованным. В частности, линейно-поляризованный свет частично нарушает работу автоматики фазовой фокусировки в зеркальных фотоаппаратах и затрудняет экспозамер.
  • Составные нейтральные фильтры. Если сложить вместе два поляризатора, то при совпадающих плоскостях поляризации такой фильтр имеет максимальное светопропускание (и эквивалентен нейтрально-серому фильтру 2x). При перпендикулярных же направлениях поляризации при идеальных поляризаторах фильтр полностью поглощает падающий на него цвет. Выбирая угол поворота, можно в очень широких пределах менять светопропускание такого фильтра.
  • Составные цветные поляризационные фильтры. Они состоят из двух поляризующих фильтров, которые можно вращать, и между ними находится пластинка, поворачивающая плоскость поляризации света. Из-за того, что угол поворота зависит от длины волны, при каждом положении поляризаторов часть спектра проходит сквозь такую систему, а часть задерживается. Поворот же поляризаторов друг относительно друга приводит к изменению спектральной характеристики фильтра. Выпускаются, например, красно-зелёные фильтры Cokin Р170 Varicolor Red/Green и оранжево-голубой Cokin Р171 Varicolor Red/Blue.
  • Электронно управляемые фильтры. Если в качестве второго поляризатора в конструкции составных фильтров используется жидкокристаллический элемент, это позволяет управлять свойствами фильтра непосредственно в процессе съёмки.

Примечания

  1. Поляризатор. Статья в Физической энциклопедии.
  2. Поляризационный светофильтр. Статья в Физической энциклопедии.
  3. Яриновская, А. Л. Поляризационный светофильтр // Фотокинотехника: Энциклопедия / Главный редактор Е. А. Иофис. — М .: Советская энциклопедия, 1981.

См. также

  • Оптические системы
  • Поляризация волн

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *