comprender y manipular la polarización de la luz es crucial para muchas aplicaciones ópticas. El diseño óptico con frecuencia se centra en la longitud de onda y la intensidad de la luz, mientras descuida su polarización. La polarización, sin embargo, es una propiedad importante de la luz que afecta incluso a aquellos sistemas ópticos que no la miden explícitamente., La polarización de la luz afecta el foco de los rayos láser, influye en las longitudes de onda de corte de los filtros y puede ser importante para evitar reflejos no deseados. Es esencial para muchas aplicaciones de metrología, como el análisis de tensiones en vidrio o plástico, el análisis de ingredientes farmacéuticos y la microscopía biológica. Diferentes polarizaciones de luz también pueden ser absorbidas en diferentes grados por los materiales, una propiedad esencial para pantallas LCD, películas 3D y sus gafas de sol que reducen el deslumbramiento.,
entendiendo la polarización
La Luz es una onda electromagnética, y el campo eléctrico de esta onda oscila perpendicularmente a la dirección de propagación. La luz se llama no polarizada si la dirección de este campo eléctrico fluctúa aleatoriamente en el tiempo. Muchas fuentes de luz comunes como la luz solar, la iluminación halógena, los focos LED y las bombillas incandescentes producen luz no polarizada. Si la dirección del campo eléctrico de la luz está bien definida, se llama luz polarizada. La fuente más común de luz polarizada es un láser.,
dependiendo de cómo se oriente el campo eléctrico, clasificamos la luz polarizada en tres tipos de polarizaciones:
- polarización lineal: el campo eléctrico de la luz está confinado a un solo plano a lo largo de la dirección de propagación (Figura 1).
- polarización Circular: el campo eléctrico de la luz consiste en dos componentes lineales que son perpendiculares entre sí, iguales en amplitud, pero tienen una diferencia de fase de π/2., El campo eléctrico resultante gira en un círculo alrededor de la dirección de propagación y, dependiendo de la dirección de rotación, se llama luz polarizada circular izquierda o derecha (Figura 2).
- polarización elíptica: el campo eléctrico de luz describe una elipse. Esto resulta de la combinación de dos componentes lineales con amplitudes diferentes y / o una diferencia de fase que no es π/2. Esta es la descripción más general de la luz polarizada, y la luz polarizada circular y lineal se puede ver como casos especiales de luz polarizada elípticamente (Figura 3).,
Figura 1: El campo eléctrico de la luz linealmente polarizada se limita al plano y-z (izquierda) y el plano x-z (derecha), junto a la dirección de propagación.
Figura 2: el campo eléctrico de la luz polarizada linealmente (izquierda) consiste en dos componentes lineales perpendiculares, iguales en amplitud, que no tienen diferencia de fase., La onda de campo eléctrico resultante se propaga a lo largo del plano y = x. El campo eléctrico de la luz polarizada circularmente (derecha) consiste en dos componentes lineales perpendiculares, iguales en amplitud, que tienen una diferencia de fase de π/2 o 90°. La onda de campo eléctrico resultante se propaga circularmente.
Figura 3: el campo eléctrico circular (izquierda) tiene dos componentes amplitud y tienen una diferencia de fase π/2 o 90°., Sin embargo, si los dos componentes tienen amplitudes diferentes, o si hay una diferencia de fase que no sea π/2, entonces crearán luz elípticamente polarizada (derecha).
los dos estados de polarización lineal ortogonal que son más importantes para la reflexión y la transmisión se conocen como polarización p y S. La luz P-polarizada (del paralelo alemán) tiene un campo eléctrico polarizado paralelo al plano de incidencia, mientras que la luz S-polarizada (del alemán senkrecht) es perpendicular a este plano.,
Figura 4: P Y S son polarizaciones lineales definidas por su orientación relativa al plano de incidencia.
manipular la polarización
polarizadores
para seleccionar una polarización específica de la luz, se utilizan polarizadores. Los polarizadores se pueden dividir ampliamente en polarizadores reflectantes, dicroicos y birrefringentes. Puede encontrar información más detallada sobre qué tipo de polarizador es adecuado para su aplicación en nuestra Guía de selección de polarizadores.,
los polarizadores reflectantes transmiten la polarización deseada mientras reflejan el resto. Los polarizadores de rejilla de alambre son un ejemplo común de esto, que consiste en muchos cables delgados dispuestos paralelos entre sí. La luz polarizada a lo largo de estos cables se refleja, mientras que la luz polarizada perpendicular a estos cables se transmite. Otros polarizadores reflectantes utilizan el ángulo de Brewster. El ángulo de Brewster es un ángulo específico de incidencia bajo el cual solo se refleja la luz polarizada en S. El haz reflejado se polariza en s y el haz transmitido se polariza parcialmente en P.,
los polarizadores dicroicos absorben una polarización específica de la luz, transmitiendo el resto; los polarizadores modernos de nanopartículas son polarizadores dicroicos.
los polarizadores birrefringentes dependen de la dependencia del índice de refracción de la polarización de la luz. Diferentes polarizaciones se refractan en diferentes ángulos y esto se puede utilizar para seleccionar ciertas polarizaciones de la luz.
La luz no polarizada puede considerarse una combinación aleatoria que varía rápidamente de luz polarizada p y S., Un polarizador lineal ideal solo transmitirá una de las dos polarizaciones lineales, reduciendo la intensidad inicial no polarizada I0 a la mitad,
para la luz polarizada linealmente con intensidad I0, la intensidad transmitida a través de un polarizador ideal, I, puede ser descrita por la Ley de Malus,
donde θ es el ángulo entre la polarización lineal incidente y el eje de polarización., Vemos que para los ejes paralelos, se logra una transmisión del 100%, mientras que para los ejes de 90°, también conocidos como polarizadores cruzados, hay una transmisión del 0%. En aplicaciones del mundo real, la transmisión nunca alcanza exactamente el 0%, por lo tanto, los polarizadores se caracterizan por una relación de extinción, que se puede usar para determinar la transmisión real a través de dos polarizadores cruzados.
Waveplates
Mientras que los polarizadores seleccionar ciertas polarizaciones de la luz, descartando las otras polarizaciones, ideal waveplates modificar las existentes polarizaciones sin atenuantes, desviarse, o el desplazamiento de la viga., Hacen esto retardando (o retrasando) un componente de la polarización con respecto a su componente ortogonal. Para ayudarle a determinar qué placa de onda es la mejor para su aplicación, lea comprender las placas de onda. Las placas de onda elegidas correctamente pueden convertir cualquier estado de polarización en un nuevo estado de polarización, y se usan con mayor frecuencia para rotar la polarización lineal, para convertir la luz polarizada linealmente en luz polarizada circularmente o viceversa.
aplicaciones
implementar el control de polarización puede ser útil en una variedad de aplicaciones de imágenes., Los polarizadores se colocan sobre una fuente de luz, lente o ambos, para eliminar el deslumbramiento de la dispersión de la luz, aumentar el contraste y eliminar los puntos calientes de los objetos reflectantes. Esto resalta un color o contraste más intenso o ayuda a identificar mejor los defectos superficiales u otras estructuras ocultas.
reducción de puntos calientes reflectantes& deslumbramiento
en la Figura 5, se colocó un polarizador lineal frente a la lente en un sistema de visión artificial para eliminar el deslumbramiento ofuscado de modo que se pudiera ver claramente un chip electrónico., La imagen de la izquierda (sin polarizador) muestra luz polarizada aleatoriamente dispersándose de las muchas superficies de vidrio entre el objeto y el sensor de la cámara. Gran parte del chip está oscurecido por el reflejo de Fresnel de la luz no polarizada. La imagen de la derecha (con polarizador) muestra el chip sin deslumbramiento que oscurezca ninguno de los detalles del objeto, lo que permite ver, analizar y medir el chip sin obstrucción.,
Figura 5: se coloca un polarizador frente a la lente de una cámara de visión artificial, reduciendo la procedente de una superficie reflectante entre la lente y el chip electrónico.
el mismo fenómeno se puede ver en la Figura 6. En la imagen de la izquierda (sin polarizador), la luz no polarizada del sol está interactuando con las ventanas del edificio Edmund Optics y la mayor parte de esta luz se refleja en las ventanas., En la imagen de la derecha, se ha aplicado un filtro de polarización de tal manera que la luz reflejada, rica en un tipo de polarización, se bloquea desde el sensor de la cámara y el fotógrafo, utilizando el otro tipo de polarización, puede ver el interior del edificio más fácilmente.
Figura 6: se coloca un polarizador frente al objetivo de una cámara réflex digital, reduciendo el brillo que de la superficie parcialmente reflectante de las hojas sobre la vegetación.,
otra forma característica de ver cómo los polarizadores reducen el resplandor reflectante es viendo las superficies de agua. En la Figura 7, la superficie del agua aparece reflectante en la imagen de la izquierda, oscureciendo lo que está debajo de la superficie. A la derecha, sin embargo, los escombros rocosos en el suelo del cuerpo de agua es mucho más claramente visible.
Figura 7: se coloca un polarizador frente a la lente de una cámara réflex digital reduciendo el resplandor proveniente de la superficie parcialmente reflectante del agua.,
los puntos calientes son porciones altamente reflectantes de un campo dentro de un campo reflectante más difuso. En la Figura 8, un polarizador se coloca delante del objetivo de una cámara, así como sobre la fuente de luz que ilumina la escena para reducir los puntos calientes.
Figura 8: un polarizador lineal se coloca sobre la fuente de luz mientras que otro polarizador con una orientación perpendicular al primero se coloca sobre el objetivo de la cámara para eliminar los puntos calientes.,
mediante la polarización cruzada de la luz con dos polarizadores lineales orientados perpendicularmente, los puntos calientes se pueden reducir o eliminar por completo.
Figura 9: Este esquema de imágenes es una forma de eliminar o reducir la dispersión, el deslumbramiento o los puntos calientes. La fuente de luz es polarizada por el polarizador y la luz reflejada que será fotografiada es polarizada una vez más, esta vez por el analizador.,
la diferencia angular entre los ejes de polarización de los dos polarizadores está directamente relacionada con la cantidad de atenuación de luz general del conjunto de polarizadores. Al cambiar el desplazamiento del ángulo, se puede variar la densidad óptica del conjunto polarizador, logrando un efecto similar al uso de un filtro de densidad neutra. Esto asegura que el campo General esté iluminado uniformemente.
mejorar el contraste y los efectos de Color
Las guías de luz de anillo son fuentes de iluminación populares debido a su iluminación uniforme y difusa. Sin embargo, puede ocurrir deslumbramiento o reflejo del anillo en sí., Polarizar la salida de luz del anillo y la lente por separado puede reducir estos efectos y resaltar los detalles de la superficie como se ve en la Figura 9.
Figura 10: polarizar la salida de luz del anillo y la lente por separado puede reducir en gran medida el efecto de deslumbramiento para revelar detalles importantes de la superficie.
La Figura 11 muestra una foto tomada de la sede de Edmund Optics y la variación en el color del cielo, la hierba y el follaje por usar o no usar un polarizador frente al objetivo de una cámara., Debido a que los electrones en las moléculas de aire dispersan la luz en muchas direcciones, la apariencia del cielo sin un polarizador es un tono más claro de azul, como se ve en la imagen de la izquierda (sin polarizador). Además, la superficie de las hojas de los árboles y en las hojas de hierba son muy ligeramente reflectantes. El uso de un polarizador filtra parte de la luz reflejada de estas superficies, oscureciendo el color percibido de estas superficies.,
Figura 11: al fotografiar el cielo, un polarizador frente al objetivo puede alterar drásticamente el color del cielo.
evaluación de tensiones
en sólidos amorfos como vidrio y plástico, la tensión de los perfiles de temperatura y presión en el material imparte variaciones localizadas y gradientes en las propiedades del material, haciendo que el material sea birrefringente y no homogéneo., Esto se puede cuantificar en objetos transparentes utilizando el efecto fotoelástico, ya que el estrés y su birrefringencia relacionada se pueden medir con metodologías de luz polarizada.
Figura 12: un par de gafas aparece claro sin polarización; sin embargo, el uso de polarizadores hace visibles las variaciones de tensión del material y aparecen como variaciones de color.,
Átonas claro objetos entre polarizadores cruzados debe producir un completo campo oscuro, sin embargo, cuando interno de material de estrés está presente, los cambios localizados en el índice de refracción rotar el ángulo de polarización, lo que resulta en la transmisión de las variaciones.
identificación química
El control de polarización también es muy importante en las industrias química, farmacéutica y de alimentos y bebidas. Muchos compuestos químicos orgánicos importantes, como los ingredientes farmacéuticos activos o los azúcares, tienen múltiples orientaciones., El estudio de moléculas con orientaciones múltiples se denomina estereoquímica.
los compuestos moleculares que tienen el mismo tipo y número de átomos, pero diferentes arreglos moleculares se llaman estereoisómeros. Estos estereoisómeros son «ópticamente activos» y girarán la luz polarizada en diferentes direcciones. La cantidad de rotación está determinada por la naturaleza y la concentración del compuesto, lo que permite que la polarimetría detecte y cuantifique la concentración de estos compuestos., Esta es la premisa para identificar qué estereoisómero puede estar presente en una muestra, lo cual es importante porque los estereoisómeros pueden tener efectos químicos muy diferentes. Por ejemplo, el estereoisómero limoneno es el químico que da a las naranjas y limones sus aromas característicos.
Figura 13: ( + )-limoneno, o d-limoneno (izquierda), se asocia con el olor de las naranjas ya que las naranjas tienen una mayor concentración de este estereoisómero que el otro. (+)-Limoneno gira la orientación de la luz incidente., (- )- Limoneno, o L-limoneno (derecha), se asocia con los limones porque está altamente concentrado en los limones, y gira la luz incidente en la dirección opuesta como (+)-limoneno.
microscopía de polarización
muchos tipos diferentes de técnicas de microscopía, como la microscopía de contraste de interferencia diferencial (DIC), utilizan polarizadores para lograr una variedad de efectos.
en un sistema de microscopio de polarización simple, se coloca un polarizador lineal frente a una fuente de luz del microscopio, debajo de la etapa de la muestra, para polarizar la luz que ingresa al sistema., Otro polarizador lineal colocado sobre la etapa de la muestra se conoce como un» analizador», ya que este polarizador se gira para lograr el efecto deseado al analizar la muestra y mientras el primer polarizador se mantiene estacionario. El analizador se gira de tal manera que los planos de polarización del analizador y el polarizador están separados por 90°. Cuando esto se ha logrado, el microscopio tiene una transmisión mínima( polarizadores cruzados); la cantidad de transmisión de luz será proporcional a la relación de extinción del polarizador y el analizador.,
una vez que el analizador se ha alineado perpendicularmente al polarizador, se coloca una muestra anisotrópica o birrefringente en el escenario de la muestra. El espécimen gira la luz polarizada una cantidad designada, proporcional al grueso del espécimen (y así a la distancia óptica de la trayectoria) y a la birrefringencia del espécimen, antes de que la luz alcance al analizador.
el analizador solo transmite luz que ha experimentado un cambio de fase inducido por la muestra y continúa bloqueando toda la luz no afectada de la fuente que originalmente fue polarizada por el polarizador., Si se conoce la birrefringencia de la muestra, se puede usar para determinar el grosor de la muestra. Si se conoce el grosor de la muestra, se puede usar para deducir la birrefringencia de la muestra. Una tabla conveniente utilizada para este propósito se conoce como la tabla de colores de interferencia Michel-Levy en la Figura 14.
Figura 14: una gráfica de interferencia de Michel-Levy muestra el color de un material birrefringente basado en la birrefringencia y el grosor del material.,
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