Das Verständnis und die Manipulation der Polarisation von Licht ist für viele optische Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Das optische Design konzentriert sich häufig auf die Wellenlänge und Intensität des Lichts, während seine Polarisation vernachlässigt wird. Die Polarisation ist jedoch eine wichtige Eigenschaft von Licht, die auch diejenigen optischen Systeme beeinflusst, die sie nicht explizit messen., Die Polarisation von Licht beeinflusst den Fokus von Laserstrahlen, beeinflusst die abgeschnittenen Wellenlängen von Filtern und kann wichtig sein, um unerwünschte Rückreflexionen zu verhindern. Es ist für viele messtechnische Anwendungen wie die Spannungsanalyse in Glas oder Kunststoff, die Analyse pharmazeutischer Inhaltsstoffe und die biologische Mikroskopie unerlässlich. Unterschiedliche Polarisationen von Licht können auch in unterschiedlichem Maße von Materialien absorbiert werden, eine wesentliche Eigenschaft für LCD-Bildschirme, 3D-Filme und Ihre blendreduzierende Sonnenbrille.,
Polarisation verstehen
Licht ist eine elektromagnetische Welle, und das elektrische Feld dieser Welle schwingt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Licht wird als unpolarisiert bezeichnet, wenn die Richtung dieses elektrischen Feldes zeitlich zufällig schwankt. Viele gängige Lichtquellen wie Sonnenlicht, Halogenbeleuchtung, LED-Strahler und Glühlampen erzeugen unpolarisiertes Licht. Wenn die Richtung des elektrischen Lichtfeldes gut definiert ist, wird es polarisiertes Licht genannt. Die häufigste Quelle für polarisiertes Licht ist ein Laser.,
Je nachdem, wie das elektrische Feld ausgerichtet ist, klassifizieren wir polarisiertes Licht in drei Arten von Polarisationen:
- Lineare Polarisation: Das elektrische Lichtfeld ist entlang der Ausbreitungsrichtung auf eine einzige Ebene beschränkt (Abbildung 1).
- Zirkularpolarisation: Das elektrische Lichtfeld besteht aus zwei linearen Komponenten, die senkrecht zueinander stehen, in der Amplitude gleich sind, aber eine Phasendifferenz von π/2 aufweisen., Das resultierende elektrische Feld dreht sich in einem Kreis um die Ausbreitungsrichtung und wird je nach Rotationsrichtung als links – oder rechts zirkular polarisiertes Licht bezeichnet (Abbildung 2).
- Elliptische Polarisation: Das elektrische Lichtfeld beschreibt eine Ellipse. Dies ergibt sich aus der Kombination zweier linearer Komponenten mit unterschiedlichen Amplituden und/oder einer Phasendifferenz, die nicht π/2 ist. Dies ist die allgemeinste Beschreibung von polarisiertem Licht, und zirkular-und linear polarisiertes Licht kann als Sonderfälle von elliptisch polarisiertem Licht angesehen werden (Abbildung 3).,
Abbildung 1: Das elektrische Feld des linear polarisierten Lichts ist entlang der Ausbreitungsrichtung auf die y-z-Ebene (links) und die x-z-Ebene (rechts) beschränkt.
Abbildung 2: Das elektrische Feld des linear polarisierten Lichts (links) besteht aus zwei senkrechten, amplitudengleichen linearen Komponenten ohne Phasendifferenz., Die resultierende elektrische Feldwelle breitet sich entlang der y = x-Ebene aus. Das elektrische Feld des zirkular polarisierten Lichts (rechts) besteht aus zwei senkrechten, amplitudengleichen linearen Komponenten mit einer Phasendifferenz von π/2 oder 90°. Die resultierende elektrische Feldwelle breitet sich kreisförmig aus.
Abbildung 3: Das kreisförmige elektrische Feld (links) hat zwei Komponenten mit gleicher Amplitude und einer π/2-oder 90° – Phasendifferenz., Wenn die beiden Komponenten jedoch unterschiedliche Amplituden haben oder wenn es eine andere Phasendifferenz als π/2 gibt, erzeugen sie elliptisch polarisiertes Licht (rechts).
Die beiden orthogonalen linearen Polarisationszustände, die für Reflexion und Transmission am wichtigsten sind, werden als p – und s-Polarisation bezeichnet. P-polarisiertes (vom deutschen parallelen) Licht hat ein elektrisches Feld, das parallel zur Einfallsebene polarisiert ist, während s-polarisiertes (vom deutschen Senkrechtlicht) Licht senkrecht zu dieser Ebene steht.,
Abbildung 4: P und S sind lineare Polarisationen, die durch ihre relative Ausrichtung zur Einfallsebene definiert sind.
Polarisation manipulieren
Polarisatoren
Um eine bestimmte Polarisation von Licht auszuwählen, werden Polarisatoren verwendet. Polarisatoren können breit in reflektierende, dichroitische und Zweifrontpolarisatoren unterteilt werden. Detailliertere Informationen darüber, welcher Polarisatortyp für Ihre Anwendung geeignet ist, finden Sie in unserem Polarisatorauswahlhandbuch.,
Reflektierende Polarisatoren übertragen die gewünschte Polarisation, während der Rest reflektiert wird. Drahtgitterpolarisatoren sind ein häufiges Beispiel dafür, bestehend aus vielen dünnen Drähten, die parallel zueinander angeordnet sind. Licht, das entlang dieser Drähte polarisiert ist, wird reflektiert, während Licht, das senkrecht zu diesen Drähten polarisiert ist, übertragen wird. Andere reflektierende Polarisatoren verwenden Brewsters Winkel. Brewsters Winkel ist ein spezifischer Einfallswinkel, unter dem nur s-polarisiertes Licht reflektiert wird. Der reflektierte Strahl ist s-polarisiert und der übertragene Strahl wird teilweise p-polarisiert.,
Dichroitische Polarisatoren absorbieren eine spezifische Polarisation von Licht und übertragen den Rest; Moderne Nanopartikel-Polarisatoren sind dichroitische Polarisatoren.
Birefraktionale Polarisatoren beruhen auf der Abhängigkeit des Brechungsindex von der Polarisation von Licht. Verschiedene Polarisationen brechen in verschiedenen Winkeln und dies kann verwendet werden, um bestimmte Polarisationen von Licht auszuwählen.
Unpolarisiertes Licht kann als schnell variierende zufällige Kombination von p – und s-polarisiertem Licht betrachtet werden., Ein idealer linearer Polarisator überträgt nur eine der beiden linearen Polarisationen und reduziert die anfängliche unpolarisierte Intensität I0 um die Hälfte,
Für linear polarisiertes Licht mit der Intensität I0 kann die Intensität, die durch einen idealen Polarisator I übertragen wird, durch das Malus-Gesetz beschrieben werden,
Wobei θ der Winkel zwischen der einfallenden linearen Polarisation und der Polarisationsachse ist., Wir sehen, dass für parallele Achsen eine 100% ige Übertragung erreicht wird, während für 90° – Achsen, die auch als gekreuzte Polarisatoren bezeichnet werden, eine 0% ige Übertragung vorliegt. In realen Anwendungen erreicht die Transmission nie genau 0%, daher sind Polarisatoren durch ein Extinktionsverhältnis gekennzeichnet, mit dem die tatsächliche Transmission durch zwei gekreuzte Polarisatoren bestimmt werden kann.
Wellenplatten
Während Polarisatoren bestimmte Polarisationen von Licht auswählen und die anderen Polarisationen verwerfen, modifizieren ideale Wellenplatten vorhandene Polarisationen, ohne den Strahl zu dämpfen, abzuweichen oder zu verschieben., Sie tun dies, indem sie eine Komponente der Polarisation in Bezug auf ihre orthogonale Komponente verzögern (oder verzögern). Um zu bestimmen, welche Wellenplatte für Ihre Anwendung am besten geeignet ist, lesen Sie Understanding Waveplates. Richtig gewählte Wellenplatten können jeden Polarisationszustand in einen neuen Polarisationszustand umwandeln und werden am häufigsten verwendet, um die lineare Polarisation zu drehen, linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht umzuwandeln oder umgekehrt.
Anwendungen
Die Implementierung der Polarisationssteuerung kann in einer Vielzahl von Bildgebungsanwendungen nützlich sein., Polarisatoren werden über einer Lichtquelle, Linse oder beidem platziert, um Blendung durch Lichtstreuung zu vermeiden, den Kontrast zu erhöhen und Hot Spots von reflektierenden Objekten zu eliminieren. Dies bringt entweder eine intensivere Farbe oder einen intensiveren Kontrast hervor oder hilft, Oberflächendefekte oder andere sonst verborgene Strukturen besser zu identifizieren.
Reduzierung reflektierender Hotspots & Blendung
In Abbildung 5 wurde ein linearer Polarisator vor dem Objektiv in einem Bildverarbeitungssystem platziert, um verschleiernde Blendung so zu entfernen, dass ein elektronischer Chip deutlich zu sehen ist., Das linke Bild (ohne Polarisator) zeigt zufällig polarisiertes Licht, das von den vielen Glasoberflächen zwischen dem Objekt und dem Kamerasensor streut. Ein Großteil des Chips wird durch Fresnelreflexion des unpolarisierten Lichts verdeckt. Das Bild rechts (mit Polarisator) zeigt den Chip blendfrei und verdeckt alle Objektdetails, sodass der Chip ungehindert betrachtet, analysiert und gemessen werden kann.,
Abbildung 5: Vor dem Objektiv einer Bildverarbeitungskamera wird ein Polarisator platziert, der das Streulicht reduziert, das von einer reflektierenden Oberfläche zwischen Objektiv und elektronischem Chip kommt.
Das gleiche Phänomen ist in der Abbildung 6 zu sehen. Im linken Bild (ohne Polarisator) interagiert unpolarisiertes Licht der Sonne mit den Fenstern des Edmund Optics-Gebäudes und das meiste Licht reflektiert von den Fenstern., Im richtigen Bild wurde ein Polarisationsfilter so aufgebracht, dass das reflektierte Licht, das reich an einem Polarisationstyp ist, vom Kamerasensor blockiert wird und der Fotograf mit dem anderen Polarisationstyp leichter in das Gebäude sehen kann.
Abbildung 6: Vor dem Objektiv einer DSLR-Kamera wird ein Polarisator angebracht, der die Blendung der teilweise reflektierenden Oberfläche der Blätter auf der Vegetation verringert.,
Ein weiterer charakteristischer Weg, um zu sehen, wie Polarisatoren reflektierende Blendung reduzieren, ist die Betrachtung von Wasserflächen. In Abbildung 7 erscheint die Wasseroberfläche im linken Bild reflektierend und verdeckt, was sich unter der Oberfläche befindet. Auf der rechten Seite sind jedoch die felsigen Trümmer auf dem Boden des Gewässers viel deutlicher sichtbar.
Abbildung 7: Vor dem Objektiv einer DSLR-Kamera wird ein Polarisator angebracht, der die Blendung von der teilweise reflektierenden Wasseroberfläche reduziert.,
Hot Spots sind stark reflektierende Bereiche eines Feldes innerhalb eines diffuseren reflektierenden Feldes. In Abbildung 8 befindet sich ein Polarisator vor dem Objektiv einer Kamera sowie über der Lichtquelle, die die Szene beleuchtet, um Hot Spots zu reduzieren.
Abbildung 8: Ein linearer Polarisator wird über die Lichtquelle gelegt, während ein anderer Polarisator mit einer senkrechten Ausrichtung zum ersten über das Objektiv der Kamera platziert wird, um Hot Spots zu eliminieren.,
Durch kreuzpolarisierendes Licht mit zwei senkrecht ausgerichteten linearen Polarisatoren können Hot Spots reduziert oder ganz eliminiert werden.
Abbildung 9: Dieses Bildgebungsschema ist eine Möglichkeit, Streuung, Blendung oder Hot Spots zu eliminieren oder zu reduzieren. Die Lichtquelle wird durch den Polarisator polarisiert und das reflektierte Licht, das abgebildet wird, wird erneut polarisiert, diesmal durch den Analysator.,
Die Winkeldifferenz zwischen den Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren steht in direktem Zusammenhang mit der Gesamtlichtdämpfung des Polarisatorsatzes. Durch Ändern des Winkelversatzes kann die optische Dichte des Polarisatorsatzes variiert werden, wodurch ein ähnlicher Effekt wie bei Verwendung eines Neutraldichtefilters erzielt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass das Gesamtfeld gleichmäßig ausgeleuchtet wird.
Verbesserung von Kontrast-und Farbeffekten
Ringlichtleiter sind aufgrund ihrer gleichmäßigen, diffusen Ausleuchtung beliebte Beleuchtungsquellen. Es kann jedoch zu Blendung oder Reflexion des Rings selbst kommen., Das Polarisieren der Ringlichtleistung und der Linse separat kann diese Effekte reduzieren und Oberflächendetails hervorheben, wie in Abbildung 9 zu sehen ist.
Abbildung 10: Polarisieren der ring licht ausgang und die objektiv separat kann erheblich reduzieren blendung wirkung zu offenbaren wichtige oberfläche details.
Abbildung 11 zeigt ein Foto von Edmund Optics Headquarters und die Variation der Farbe von Himmel, Gras und Laub durch die Verwendung oder Nichtverwendung eines Polarisators vor einem Kameraobjektiv., Da Elektronen in Luftmolekülen Licht in viele Richtungen streuen, ist das Aussehen des Himmels ohne Polarisator ein hellerer Blauton, wie im linken Bild (ohne Polarisator) zu sehen ist. Zusätzlich ist die Oberfläche der Blätter von Bäumen und auf Grashalmen sehr leicht reflektierend. Die Verwendung eines Polarisators filtert einen Teil des von diesen Oberflächen reflektierten Lichts heraus und verdunkelt die wahrgenommene Farbe dieser Oberflächen.,
Abbildung 11: Beim Fotografieren des Himmels kann ein Polarisator vor dem Objektiv die Farbe des Himmels dramatisch verändern.
Spannungsbewertung
In amorphen Feststoffen wie Glas und Kunststoff vermittelt die Spannung aus Temperatur-und Druckprofilen im Material lokalisierte Schwankungen und Gradienten in den Materialeigenschaften, wodurch das Material zwei-und nichthomogen ist., Dies kann in transparenten Objekten unter Verwendung des photoelastischen Effekts quantifiziert werden, da Stress und seine damit verbundene Doppelbrechung mit polarisierten Lichtmethoden gemessen werden können.
Abbildung 12: Eine Brille erscheint klar ohne Polarisation; Die Verwendung von Polarisatoren macht jedoch die Materialspannungs-Variationen sichtbar und sie erscheinen als Farbvariationen.,
Unbelastete klare Objekte zwischen gekreuzten Polarisatoren sollten ein völlig dunkles Feld ergeben, wenn jedoch interne Materialspannung vorhanden ist, drehen die lokalisierten Änderungen des Brechungsindex den Polarisationswinkel, was zu Transmissionsschwankungen führt.
Chemische Identifizierung
Die Polarisationskontrolle ist auch in der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittel-und Getränkeindustrie sehr wichtig. Viele wichtige organische chemische Verbindungen, wie pharmazeutische Wirkstoffe oder Zucker, haben mehrere Orientierungen., Das Studium von Molekülen mit mehreren Orientierungen wird als Stereochemie bezeichnet.
Molekulare Verbindungen, die den gleichen Typ und die gleiche Anzahl von Atomen haben, aber unterschiedliche molekulare Anordnungen werden als Stereoisomere bezeichnet. Diese Stereoisomere sind „optisch aktiv“ und drehen polarisiertes Licht in verschiedene Richtungen. Die Rotationsmenge wird durch die Art und Konzentration der Verbindung bestimmt, so dass die Polarimetrie die Konzentration dieser Verbindungen erkennen und quantifizieren kann., Dies ist die Voraussetzung, um zu identifizieren, welches Stereoisomer in einer Probe vorhanden sein kann, was wichtig ist, da Stereoisomere sehr unterschiedliche chemische Wirkungen haben können. Zum Beispiel ist das Stereoisomer Limonen die Chemikalie, die Orangen und Zitronen ihre charakteristischen Düfte verleiht.
Abbildung 13: (+)-Limonen oder D-Limonen (links) ist mit dem Geruch von Orangen verbunden, da Orangen eine höhere Konzentration dieses Stereoisomers aufweisen als das andere. (+)-Limonen dreht die Ausrichtung des einfallenden Lichts., (- )- Limonen oder L-Limonen (rechts) ist mit Zitronen assoziiert, da es in Zitronen hochkonzentriert ist und einfallendes Licht als (+) – Limonen in die entgegengesetzte Richtung dreht.
Polarisationsmikroskopie
Viele verschiedene Arten von Mikroskopietechniken wie die DIC-Mikroskopie (Differential Interference Contrast) verwenden Polarisatoren, um eine Vielzahl von Effekten zu erzielen.
In einem einfachen Polarisationsmikroskopsystem wird ein linearer Polarisator vor einer Mikroskoplichtquelle unterhalb der Probenstufe platziert, um das in das System eintretende Licht zu polarisieren., Ein weiterer über der Probenstufe platzierter linearer Polarisator wird als „Analysator“ bezeichnet, da dieser Polarisator gedreht wird, um einen gewünschten Effekt bei der Analyse der Probe zu erzielen und während der erste Polarisator stationär gehalten wird. Der Analysator wird dann so gedreht, dass die Polarisationsebenen des Analysators und des Polarisators um 90° voneinander entfernt sind. Wenn dies erreicht wurde, hat das Mikroskop eine minimale Transmission (gekreuzte Polarisatoren); Die Menge der Lichtdurchlässigkeit ist proportional zum Extinktionsverhältnis von Polarisator und Analysator.,
Sobald das Analysegerät senkrecht zum Polarisator ausgerichtet wurde, wird ein anisotropes oder zweifrontendes Exemplar auf die Probenstufe gelegt. Die Probe dreht das polarisierte Licht eine bestimmte Menge, proportional zu der Probendicke (und damit dem optischen Wegabstand) und der Proben-Doppelbrechung, bevor das Licht zum Analysator gelangt.
Der Analysator überträgt nur Licht, das eine probeninduzierte Phasenverschiebung erfahren hat und weiterhin das gesamte nicht beeinflusste Licht von der Quelle blockiert, die ursprünglich vom Polarisator polarisiert wurde., Wenn die Doppelbrechung der Probe bekannt ist, kann sie dann zur Bestimmung der Probendicke verwendet werden. Wenn die Probendicke bekannt ist, kann sie verwendet werden, um die Doppelbrechung der Probe abzuleiten. Ein praktisches Diagramm, das für diesen Zweck verwendet wird, wird als Michel-Levy-Interferenzfarbdiagramm in Abbildung 14 bezeichnet.
Abbildung 14: Ein Michel-Levy-Interferenzdiagramm, das die Farbe eines doppelbrechenden Materials basierend auf der Doppelbrechung und der Materialdicke zeigt.,
Vielen Dank für die Bewertung dieses Inhalts!