la compréhension et la manipulation de la polarisation de la lumière sont cruciales pour de nombreuses applications optiques. La conception optique se concentre souvent sur la longueur d’onde et l’intensité de la lumière, tout en négligeant sa polarisation. La polarisation, cependant, est une propriété importante de la lumière qui affecte même les systèmes optiques qui ne la mesurent pas explicitement., La polarisation de la lumière affecte le foyer des faisceaux laser, influence les longueurs d’onde de coupure des filtres et peut être importante pour empêcher les réflexions indésirables. Il est essentiel pour de nombreuses applications de métrologie telles que l’analyse des contraintes dans le verre ou le plastique, l’analyse des ingrédients pharmaceutiques et la microscopie biologique. Différentes polarisations de la lumière peuvent également être absorbées à différents degrés par les matériaux, une propriété essentielle pour les écrans LCD, les films 3D et vos lunettes de soleil anti-éblouissement.,
comprendre la polarisation
la lumière est une onde électromagnétique, et le champ électrique de cette onde oscille perpendiculairement à la direction de propagation. La lumière est appelée non polarisée si la direction de ce champ électrique fluctue aléatoirement dans le temps. De nombreuses sources lumineuses courantes telles que la lumière du soleil, l’éclairage halogène, les projecteurs à LED et les ampoules à incandescence produisent une lumière non polarisée. Si la direction du champ électrique de la lumière est bien définie, on parle de lumière polarisée. La source la plus courante de lumière polarisée est un laser.,
selon la façon dont le champ électrique est orienté, nous classons la lumière polarisée en trois types de polarisations:
- polarisation linéaire: le champ électrique de la lumière est confiné à un seul plan le long de la direction de propagation (Figure 1).
- polarisation circulaire: le champ électrique de la lumière se compose de deux composantes linéaires perpendiculaires l’une à l’autre, d’amplitude égale, mais ayant une différence de phase de π/2., Le champ électrique résultant tourne en cercle autour du sens de propagation et, selon le sens de rotation, est appelé lumière polarisée circulairement à gauche ou à droite (Figure 2).
- polarisation Elliptique: le champ électrique de la lumière décrit une ellipse. Ceci résulte de la combinaison de deux composantes linéaires avec des amplitudes différentes et/ou une différence de phase qui n’est pas π/2. C’est la description la plus générale de la lumière polarisée, et la lumière polarisée circulaire et linéaire peut être considérée comme des cas particuliers de lumière polarisée elliptiquement (Figure 3).,
Figure 1: Le champ électrique de la lumière polarisée linéairement est limitée à l’axe z du plan (à gauche) et le plan x-z (à droite), le long de la direction de propagation.
Figure 2: Le champ électrique de la lumière polarisée linéairement (à gauche) se compose de deux perpendiculaires, égale en amplitude linéaire des composants qui n’ont pas de différence de phase., L’onde de champ électrique résultante se propage le long du plan y = X. Le champ électrique de la lumière polarisée circulairement (à droite) se compose de deux composantes linéaires perpendiculaires, d’amplitude égale, qui ont une différence de phase de π/2 ou 90°. L’onde de champ électrique résultante se propage circulairement.
Figure 3: La circulaire du champ électrique (à gauche) a deux composantes qui sont d’amplitudes égales et ont un π/2 ou 90° différence de phase., Cependant, si les deux composantes ont des amplitudes différentes, ou s’il y a une différence de phase autre que π/2, alors elles créeront une lumière polarisée elliptiquement (à droite).
Les deux états de polarisation linéaire orthogonale les plus importants pour la réflexion et la transmission sont appelés polarisation p et S. La lumière polarisée P (du parallèle allemand) a un champ électrique polarisé parallèlement au plan d’incidence, tandis que la lumière polarisée s (du senkrecht allemand) est perpendiculaire à ce plan.,
Figure 4: P et S sont des polarisations linéaires définies par leur orientation relative au plan d’incidence.
la Manipulation de la Polarisation
Polariseurs
afin de sélectionner la polarisation de la lumière, les polariseurs sont utilisés. Les polariseurs peuvent être largement divisés en polariseurs réfléchissants, dichroïques et biréfringents. Des informations plus détaillées sur le type de polariseur adapté à votre application peuvent être trouvées dans notre guide de sélection de polariseur.,
les polariseurs réfléchissants transmettent la polarisation souhaitée tout en réfléchissant le reste. Les polariseurs de grille métallique en sont un exemple courant, constitués de nombreux fils minces disposés parallèlement les uns aux autres. La lumière polarisée le long de ces fils est réfléchie, tandis que la lumière polarisée perpendiculairement à ces fils est transmise. D’autres polariseurs réfléchissants utilisent l’angle de Brewster. L’angle de Brewster est un angle d’incidence spécifique sous lequel seule la lumière polarisée en s est réfléchie. Le faisceau réfléchi est polarisé en s et le faisceau transmis devient partiellement polarisé en p.,
les polariseurs dichroïques absorbent une polarisation spécifique de la lumière, transmettant le reste; les polariseurs modernes à nanoparticules sont des polariseurs dichroïques.
les polariseurs biréfringents dépendent de la dépendance de l’indice de réfraction à la polarisation de la lumière. Différentes polarisations se réfractent à différents angles et cela peut être utilisé pour sélectionner certaines polarisations de la lumière.
la lumière non polarisée peut être considérée comme une combinaison aléatoire à variation rapide de lumière polarisée en p et en s., Un polariseur linéaire idéal ne transmettra qu’une des deux polarisations linéaires, réduisant de moitié L’intensité initiale non polarisée I0,
pour une lumière polarisée linéairement d’intensité I0, l’intensité transmise par un polariseur idéal, I, peut être décrite par la Loi de malus,
Où θ est l’angle entre la polarisation linéaire incidente et l’axe de polarisation., Nous voyons que pour les axes parallèles, la transmission à 100% est atteinte, tandis que pour les axes à 90°, également appelés polariseurs croisés, il y a une transmission à 0%. Dans les applications du monde réel, la transmission n’atteint jamais exactement 0%, par conséquent, les polariseurs sont caractérisés par un rapport d’extinction, qui peut être utilisé pour déterminer la transmission réelle à travers deux polariseurs croisés.
Plaques D’ondes
alors que les polariseurs sélectionnent certaines polarisations de la lumière, écartant les autres polarisations, les plaques d’ondes idéales modifient les polarisations existantes sans atténuer, Dévier ou déplacer le faisceau., Ils le font en retardant (ou en retardant) une composante de polarisation par rapport à sa composante orthogonale. Pour vous aider à déterminer quelle plaque d’onde convient le mieux à votre application, lisez comprendre les plaques d’onde. Les plaques d’ondes correctement choisies peuvent convertir n’importe quel état de polarisation en un nouvel état de polarisation, et sont le plus souvent utilisées pour faire pivoter la polarisation linéaire, pour convertir la lumière polarisée linéairement en lumière polarisée circulairement ou vice versa.
Applications
La mise en œuvre du contrôle de polarisation peut être utile dans une variété d’applications d’imagerie., Les polariseurs sont placés sur une source de lumière, une lentille ou les deux pour éliminer l’éblouissement de la diffusion de la lumière, augmenter le contraste et éliminer les points chauds des objets réfléchissants. Cela fait ressortir une couleur ou un contraste plus intense ou aide à mieux identifier les défauts de surface ou d’autres structures autrement cachées.
réduction des points chauds réfléchissants& éblouissement
sur la Figure 5, un polariseur linéaire a été placé devant la lentille dans un système de vision industrielle pour éliminer l’éblouissement obscurcissant de sorte qu’une puce électronique puisse être clairement visible., L’image de gauche (sans polariseur) montre une diffusion de lumière polarisée de manière aléatoire sur les nombreuses surfaces vitrées entre l’objet et le capteur de la caméra. Une grande partie de la puce est obscurcie par la réflexion de Fresnel de la lumière non polarisée. L’image de droite (avec polariseur) montre la puce sans éblouissement obscurcissant aucun des détails de l’objet, permettant à la puce d’être vue, analysée et mesurée sans obstruction.,
Figure 5: Un polariseur est placé devant l’objectif d’une machine de vision de la caméra, la réduction de la lumière parasite provenant d’une surface réfléchissante, entre la lentille et la puce électronique.
le même phénomène peut être vu sur la Figure 6. Dans l’image de gauche (sans polariseur), la lumière non polarisée du soleil interagit avec les fenêtres du bâtiment Edmund Optics et la majeure partie de cette lumière se réfléchit sur les fenêtres., Dans l’image de droite, un filtre polarisant a été appliqué de telle sorte que la lumière réfléchie, riche en un type de polarisation, soit bloquée par le capteur de la caméra et que le photographe, utilisant l’autre type de polarisation, puisse voir plus facilement dans le bâtiment.
Figure 6: Un polariseur est placé devant la lentille d’un appareil photo REFLEX numérique, en réduisant l’éblouissement provenant de l’partiellement réfléchissant de la surface des feuilles sur la végétation.,
Une autre façon caractéristique de voir comment les polariseurs réduisent l’éblouissement réfléchissant est de regarder les surfaces d’eau. Sur la Figure 7, la surface de l’eau apparaît réfléchissante dans l’image de gauche, obscurcissant ce qui se trouve sous la surface. Sur la droite, cependant, les débris rocheux sur le sol du plan d’eau sont beaucoup plus clairement visibles.
Figure 7: Un polariseur est placé devant la lentille d’un appareil photo REFLEX numérique, la réduction de l’éblouissement provenant de l’partiellement réfléchissant de la surface de l’eau.,
Les points chauds sont des parties hautement réfléchissantes d’un champ dans un champ réfléchissant plus diffus. Sur la Figure 8, un polariseur est placé devant l’objectif d’une caméra ainsi que sur la source lumineuse éclairant la scène pour réduire les points chauds.
Figure 8: un polariseur linéaire est placé sur la source lumineuse tandis qu’un autre polariseur perpendiculaire au premier est placé sur l’objectif de la caméra pour éliminer les points chauds.,
en polarisant la lumière avec deux polariseurs linéaires orientés perpendiculairement, les points chauds peuvent être réduits ou éliminés complètement.
Figure 9: ce schéma d’imagerie est un moyen d’éliminer ou de réduire la dispersion, l’éblouissement ou les points chauds. La source lumineuse est polarisée par le polariseur et la lumière réfléchie qui sera imagée est polarisée une fois de plus, cette fois par l’analyseur.,
La différence angulaire entre les axes de polarisation des deux polariseurs est directement liée à la quantité d’atténuation de la lumière de l’ensemble des polariseurs. En modifiant le décalage d’angle, la densité optique de l’ensemble de polariseurs peut être modifiée, obtenant un effet similaire à l’utilisation d’un filtre à densité neutre. Cela garantit que le champ global est uniformément éclairé.
amélioration des effets de contraste et de couleur
Les guides de lumière annulaires sont des sources d’éclairage populaires en raison de leur éclairage uniforme et diffus. Cependant, un éblouissement ou une réflexion de l’anneau lui-même peut se produire., La polarisation de la sortie de lumière annulaire et de la lentille séparément peut réduire ces effets et faire ressortir les détails de surface comme on le voit sur la Figure 9.
Figure 10: polariser la lumière annulaire et la lentille séparément peut réduire considérablement l’effet d’éblouissement pour révéler des détails de surface importants.
La Figure 11 montre une photo prise du siège D’Edmund Optics et la variation de la couleur du ciel, de l’herbe et du feuillage due à l’utilisation ou non d’un polariseur devant un objectif de caméra., Parce que les électrons dans les molécules d’air diffusent la lumière dans de nombreuses directions, l’apparence du ciel sans polariseur est une nuance de bleu plus claire, comme on le voit dans l’image de gauche (sans polariseur). De plus, la surface des feuilles des arbres et des brins d’herbe est très légèrement réfléchissante. L’utilisation d’un polariseur filtre une partie de la lumière réfléchie par ces surfaces, assombrissant la couleur perçue de ces surfaces.,
Figure 11: Lorsque vous photographiez le ciel, un polariseur en face de la lentille peuvent considérablement modifier la couleur du ciel.
évaluation des contraintes
dans les solides amorphes tels que le verre et le plastique, la contrainte des profils de température et de pression dans le matériau confère des variations et des gradients localisés dans les propriétés du matériau, rendant le matériau biréfringent et non homogène., Cela peut être quantifié dans des objets transparents en utilisant l’effet photoélastique, car le stress et sa biréfringence associée peuvent être mesurés avec des méthodologies de lumière polarisée.
Figure 12: Une paire de lunettes apparaît claire sans polarisation; cependant, l’utilisation de polariseurs rend visibles les variations de contrainte du matériau et elles apparaissent comme des variations de couleur.,
Les objets clairs non sollicités entre les polariseurs croisés devraient produire un champ complètement sombre, cependant, lorsque la contrainte interne du matériau est présente, les changements localisés de l’indice de réfraction font tourner l’angle de polarisation, ce qui entraîne des variations de transmission.
Identification chimique
le contrôle de la polarisation est également très important dans les industries chimique, pharmaceutique, alimentaire et des boissons. De nombreux composés chimiques organiques importants, tels que les ingrédients pharmaceutiques actifs ou les sucres, ont des orientations multiples., L’étude des molécules à orientations multiples est appelée stéréochimie.
Les composés moléculaires qui ont le même type et le même nombre d’atomes, mais des arrangements moléculaires différents sont appelés stéréoisomères. Ces stéréoisomères sont « optiquement actifs » et feront pivoter la lumière polarisée dans différentes directions. La quantité de rotation est déterminé par la nature et la concentration du composé, permettant polarimétrie de détecter et de quantifier la concentration de ces composés., C’est la prémisse pour identifier quel stéréoisomère peut être présent dans un échantillon, ce qui est important car les stéréoisomères peuvent avoir des effets chimiques très différents. Par exemple, le stéréoisomère limonène est le produit chimique qui donne aux oranges et aux citrons leurs parfums caractéristiques.
Figure 13: le (+)-limonène, ou d-limonène (à gauche), est associé à l’odeur des oranges car les oranges ont une concentration plus élevée de ce stéréoisomère que les autres. ( + )- Limonène tourne l’orientation de la lumière incidente., Le ( – ) – limonène, ou l-limonène (à droite), est associé aux citrons car il est très concentré dans les citrons et il fait tourner la lumière incidente dans la direction opposée sous forme de (+)- limonène.
microscopie à polarisation
de nombreux types de techniques de microscopie telles que la microscopie dic (differential interference contrast) utilisent des polariseurs pour obtenir une variété d’effets.
dans un système de microscope à polarisation simple , un polariseur linéaire est placé devant une source de lumière de microscope, en dessous de l’étage de l’échantillon, pour polariser la lumière entrant dans le système., Un autre polariseur linéaire placé au-dessus de l’étage de l’échantillon est appelé « analyseur”, car ce polariseur est mis en rotation pour obtenir un effet désiré lors de l’analyse de l’échantillon et tandis que le premier polariseur est maintenu stationnaire. L’analyseur est ensuite mis en rotation de telle sorte que les plans de polarisation de l’analyseur et du polariseur soient séparés de 90°. Lorsque cela a été réalisé, le microscope a une transmission minimale (polariseurs croisés); la quantité de transmission de la lumière sera proportionnelle au rapport d’extinction du polariseur et de l’analyseur.,
Une fois que l’analyseur a été aligné perpendiculairement au polariseur, un échantillon anisotrope ou biréfringent est placé sur l’étage de l’échantillon. Le spécimen fait tourner la lumière polarisée une quantité désignée, proportionnelle à l’épaisseur de spécimen (et donc la distance optique de chemin) et à la biréfringence de spécimen, avant que la lumière atteigne à l’analyseur.
l’analyseur ne transmet que la lumière qui a subi un déphasage induit par l’échantillon et continue de bloquer toute la lumière non affectée de la source qui a été initialement polarisée par le polariseur., Si la biréfringence de l’échantillon est connue, elle peut être utilisée pour déterminer l’épaisseur de l’échantillon. Si l’épaisseur de l’échantillon est connue, elle peut être utilisée pour déduire la biréfringence de l’échantillon. Un graphique pratique utilisé à cette fin est connu sous le nom de nuancier D’interférence Michel-Levy dans la Figure 14.
Figure 14: un diagramme D’interférence Michel-Levy indique la couleur d’un matériau biréfringent en fonction de la biréfringence et de l’épaisseur du matériau.,
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