Bevezetés a Polarizációba

a fény polarizációjának megértése és manipulálása döntő fontosságú számos optikai alkalmazás számára. Az optikai tervezés gyakran a fény hullámhosszára és intenzitására összpontosít, miközben figyelmen kívül hagyja polarizációját. A polarizáció azonban a fény fontos tulajdonsága, amely még azokat az optikai rendszereket is érinti, amelyek kifejezetten nem mérik., A fény polarizációja befolyásolja a lézersugarak fókuszát, befolyásolja a szűrők levágott hullámhosszát, és fontos lehet a nem kívánt visszaverődések megelőzése érdekében. Számos metrológiai alkalmazáshoz elengedhetetlen, mint például az üveg vagy műanyag stressztesztje, a gyógyszerészeti összetevők elemzése, valamint a biológiai mikroszkópia. A fény különböző polarizációit az anyagok, az LCD-képernyők, a 3D-s filmek, valamint a tükröződést csökkentő napszemüvegek is különböző mértékben képesek elnyelni.,

A Polarizáció megértése

a fény elektromágneses hullám, ennek a hullámnak az elektromos mezője merőlegesen oszcillál a terjedés irányára. A fényt nem polarizáltnak nevezik, ha az elektromos mező iránya véletlenszerűen ingadozik az időben. Sok közös fényforrások, mint a napfény, halogén világítás, LED spotlámpák, izzólámpák termelnek unpolarized fény. Ha az elektromos fénytér iránya jól meghatározott, akkor polarizált fénynek nevezik. A polarizált fény leggyakoribb forrása egy lézer.,

az elektromos mező orientáltságától függően a polarizált fényt három típusú polarizációra osztályozzuk:

• lineáris polarizáció: az elektromos fénymező egyetlen síkra korlátozódik a terjedési irány mentén (1.ábra).
• körkörös polarizáció: az elektromos fénymező két lineáris komponensből áll, amelyek merőlegesek egymásra, egyenlő amplitúdóval, de fáziskülönbségük π/2., A kapott elektromos mező egy körben forog a terjedési irány körül, és a forgásiránytól függően bal-vagy jobb oldali körkörösen polarizált fénynek nevezik (2.ábra).
• elliptikus polarizáció: az elektromos fénymező ellipszist ír le. Ez két, egymástól eltérő amplitúdójú lineáris komponens és/vagy egy nem π/2 fázisbeli különbség kombinációjából adódik. Ez a polarizált fény legáltalánosabb leírása, a körkörös és lineáris polarizált fény pedig az elliptikusan polarizált fény speciális eseteinek tekinthető (3.ábra).,

a visszaverődés és átvitel szempontjából legfontosabb két ortogonális lineáris polarizációs állapotot P – és s-polarizációnak nevezzük. P-polarizált (a német párhuzamos) fény egy elektromos mező polarizált párhuzamos az előfordulási sík, míg az S-polarizált (a német senkrecht) fény merőleges erre a síkra.,

Polarizáció manipulálása

polarizátorok

a fény specifikus polarizációjának kiválasztásához polarizátorokat használnak. A polarizátorok széles körben feloszthatók fényvisszaverő, dikroikus és kétkomponensű polarizátorokra. Részletesebb információ arról, hogy milyen típusú polarizátor megfelelő az alkalmazáshoz, megtalálható a Polarizer kiválasztási útmutatójában.,

A fényvisszaverő polarizátorok továbbítják a kívánt polarizációt, miközben tükrözik a többit. A huzalrács polarizátorok gyakori példa erre, amely sok egymással párhuzamosan elrendezett vékony vezetékből áll. A vezetékek mentén polarizált fény tükröződik, míg az ezekre a vezetékekre merőleges polarizált fény kerül továbbításra. Más fényvisszaverő polarizátorok Brewster szögét használják. Brewster szöge egy adott beesési szög, amely alatt csak s-polarizált fény tükröződik. A visszavert fénysugár s-polarizált, a továbbított fény pedig részben p-polarizálódik.,

a dikroikus polarizátorok elnyelik a fény specifikus polarizációját, továbbítva a többit; a modern Nanorészecske polarizátorok dikroikus polarizátorok.

a kétkomponensű polarizátorok a törésmutatónak a fény polarizációjától való függésére támaszkodnak. A különböző polarizációk különböző szögekben törnek, ez pedig a fény bizonyos polarizációinak kiválasztására használható.

a nem polarizált fény a P – és S-polarizált fény gyorsan változó véletlenszerű kombinációjának tekinthető., Ideális lineáris polarizátor csak továbbítom a két lineáris polarizations, csökkenti a kezdeti unpolarized intenzitása I0 felére,

A lineárisan polarizált fény intenzitása I0, az intenzitás keresztül továbbított ideális polarizátor, én, leírható Malus’ törvény,

Ahol θ a szög között az incidens lineáris polarizáció, a polarizáció tengely., Látjuk, hogy a párhuzamos tengelyeknél 100% – os átvitel érhető el, míg a 90° – os tengelyeknél, más néven keresztezett polarizátoroknál 0% átvitel történik. A valós alkalmazásokban az átvitel soha nem éri el pontosan a 0% – ot, ezért a polarizátorokat kihalási arány jellemzi, amely felhasználható a tényleges átvitel meghatározására két keresztezett polarizátoron keresztül.

Waveplates

míg a polarizátorok bizonyos fény polarizációkat választanak ki, a többi polarizációt eldobva, az ideális hullámlemezek a meglévő polarizációkat módosítják anélkül, hogy enyhítenék, eltérnének vagy elmozdítanák a gerendát., Ezt úgy teszik, hogy a polarizáció egyik összetevőjét retardálják (vagy késleltetik) az ortogonális komponenshez képest. Annak megállapításához, hogy melyik waveplate a legjobb az alkalmazáshoz, olvassa el a Waveplates megértését. A helyesen kiválasztott hullámlemezek bármilyen polarizációs állapotot új polarizációs állapotba konvertálhatnak, és leggyakrabban a lineáris polarizáció forgatására használják, a lineárisan polarizált fény cirkulárisan polarizált fénygé alakítására vagy fordítva.

Alkalmazások

a polarizációs vezérlés végrehajtása számos képalkotó alkalmazásban hasznos lehet., A polarizátorokat fényforrásra, lencsére vagy mindkettőre helyezik, hogy kiküszöböljék a fényszórás tükröződését, növeljék a kontrasztot, és kiküszöböljék a forró foltokat a fényvisszaverő tárgyakból. Ez vagy intenzívebb színt vagy kontrasztot hoz létre, vagy segít jobban azonosítani a felületi hibákat vagy más egyébként rejtett struktúrákat.

Csökkenti Fényvisszaverő Forró Foltok & Vakító

Ábra 5, lineárisan polarizált volt elhelyezve a lencse előtt egy kamerarendszer, hogy távolítsa el elferdíteni vakító olyan, hogy egy elektronikus chip lehet tisztán láttam., A bal oldali képen (polarizátor nélkül) véletlenszerűen polarizált fény szóródik le az objektum és a kamera érzékelője közötti sok üvegfelületről. A chip nagy részét eltakarja a nem polarizált fény Fresnel reflexiója. A jobb oldali kép (polarizátorral) a chipet vakító fény nélkül mutatja, amely eltakarja az objektum bármely részletét, lehetővé téve a chip megtekintését, elemzését, akadály nélkül történő mérését.,

ugyanez a jelenség látható a 6. ábrán. A bal oldali képen (polarizátor nélkül) a napból származó nem polarizált fény kölcsönhatásba lép az Edmund Optics épület ablakaival, ennek a fénynek a nagy része az ablakokról visszaverődik., A jobb oldali képen egy polarizáló szűrőt alkalmaztak úgy, hogy az egyik polarizációs típusban gazdag visszavert fényt blokkolja a kamera érzékelője, a fotós pedig a másik polarizációs Típus segítségével könnyebben láthat az épületbe.

egy másik jellegzetes módja annak, hogy a polarizátorok hogyan csökkentik a fényvisszaverő tükröződést a vízfelületek megtekintésével. A 7. ábrán a víz felülete a bal oldali képen fényvisszaverőnek tűnik, elhomályosítva azt, ami a felület alatt van. A jobb oldalon azonban a víz testének padlóján lévő sziklás törmelék sokkal jobban látható.

a forró pontok egy mező erősen fényvisszaverő részei egy diffúz fényvisszaverő mezőben. A 8. ábrán egy polarizátor kerül a kamera lencséje elé, valamint a helyszínt megvilágító fényforrás fölé, hogy csökkentse a forró foltokat.

kereszt-polarizáló fény két lineáris polarizátorral, amelyek merőlegesen vannak orientálva, a forró foltok teljesen csökkenthetők vagy kiküszöbölhetők.

a két polarizátor polarizációs tengelyei közötti szögkülönbség közvetlenül kapcsolódik a polarizátorok halmazának általános fénycsillapításának mennyiségéhez. A szög eltolásának megváltoztatásával a polarizátorkészlet optikai sűrűsége változtatható, hasonló hatást ér el a semleges sűrűségű szűrő használatával. Ez biztosítja, hogy a teljes mező egyenletesen világítson.

A kontraszt és a színhatások javítása

a gyűrűs fényvezetők népszerű megvilágítási források az egyenletes, diffúz megvilágításuk miatt. A gyűrű tükröződése vagy tükröződése azonban előfordulhat., A gyűrűs fénykibocsátás és a lencse külön-külön történő polarizálása csökkentheti ezeket a hatásokat, és a 9.ábrán látható felületi részleteket is megjelenítheti.

a 11. ábra az Edmund Optics főhadiszállásáról készített fényképet, valamint az ég, a fű és a lombozat színének változását mutatja, ha polarizátort használ vagy nem használ a kamera lencséje előtt., Mivel a légmolekulákban lévő elektronok sok irányban szétszórják a fényt, az ég polarizátor nélküli megjelenése világosabb kék árnyalat, amint a bal oldali képen látható (polarizátor nélkül). Ezenkívül a fák leveleinek felülete és a fűszálak nagyon enyhén tükröződnek. A polarizátor segítségével kiszűrheti az ezekből a felületekből visszavert fényt, sötétítve ezen felületek érzékelt színét.,

Stress Evaluation

amorf szilárd anyagokban, például üvegben és műanyagban, az anyag hőmérséklet-és nyomásprofiljaiból származó stressz lokalizált eltéréseket és színátmeneteket eredményez az anyag tulajdonságaiban, így az anyag kettős és nem homogén., Ezt a fotoelasztikus hatás segítségével átlátszó tárgyakban lehet számszerűsíteni, mivel a stressz és annak kapcsolódó birefringenciája polarizált fény módszertanokkal mérhető.

a keresztezett polarizátorok közötti feszítetlen tiszta tárgyaknak teljesen sötét mezőt kell eredményezniük, azonban ha belső anyagi stressz van jelen, a törésmutató lokalizált változásai elforgatják a polarizáció szögét, ami átviteli variációkat eredményez.

kémiai azonosítás

a polarizációs kontroll szintén nagyon fontos a kémiai, gyógyszerészeti, valamint élelmiszer-és italiparban. Számos fontos szerves kémiai vegyület, például aktív gyógyszerészeti összetevők vagy cukrok, több orientációval rendelkeznek., A többszörös orientációjú molekulák vizsgálatát sztereokémiának nevezik.

az azonos típusú és számú atommal rendelkező molekuláris vegyületeket, de a különböző molekuláris elrendezéseket sztereoizomereknek nevezik. Ezek a sztereoizomerek “optikailag aktívak”, és a polarizált fényt különböző irányokba forgatják. A forgás mennyiségét a vegyület jellege és koncentrációja határozza meg, lehetővé téve a polarimetria számára ezen vegyületek koncentrációjának kimutatását és számszerűsítését., Ez az előfeltétele annak azonosítására, hogy melyik sztereoizomer jelen lehet a mintában, ami azért fontos, mert a sztereoizomerek jelentősen eltérő kémiai hatásokkal rendelkezhetnek. Például a sztereoizomer limonén az a vegyi anyag, amely narancsot és citromot ad jellegzetes illataiknak.

polarizációs mikroszkópia

számos különböző típusú mikroszkópos technika, például a differenciális interferencia kontraszt (DIC) mikroszkópia polarizátorokat használ a különböző hatások eléréséhez.

egy egyszerű polarizációs mikroszkóp rendszerben egy lineáris polarizátort helyeznek a mikroszkóp fényforrása elé, a minta fázisa alatt, hogy polarizálják a rendszerbe belépő fényt., Egy másik lineáris polarizátor fölé helyezett a tárgyasztal az említett, mint egy “elemző”, ahogy ez a polarizátor forog, hogy elérjék a kívánt hatást, ha elemzi a mintát, míg az első polarizátor tartják helyhez kötött. Az analizátort ezután úgy forgatjuk, hogy az analizátor és a polarizátor polarizációs síkjai egymástól 90° – ra legyenek egymástól. Ha ez megvalósul, a mikroszkóp minimális átviteli (keresztezett polarizátorok); a fényáteresztő mennyisége arányos lesz a polarizátor és az analizátor kihalási arányával.,

Miután az analizátort merőlegesen igazították a polarizátorhoz, egy anizotróp vagy kétkomponensű mintát helyeznek a minta szakaszára. A mintadarab a polarizált fényt a mintadarab vastagságával (és így az optikai út távolságával) és a mintadarab kétirányú forgásával arányosan meghatározott mennyiségben forgatja, mielőtt a fény eléri az analizátort.

az analizátor csak olyan fényt közvetít, amely egy minta által indukált fáziseltolódást tapasztalt, és továbbra is blokkolja az összes nem érintett fényt a forrásból, amelyet eredetileg polarizált a polarizátor., Ha a minta birefringenciája ismert, akkor felhasználható a minta vastagságának meghatározására. Ha a minta vastagsága ismert, akkor a minta birefringenciájának levezetésére használható. Az erre a célra használt kényelmes diagramot Michel-Levy interferencia színdiagramnak nevezik a 14. ábrán.