Introduzione alla polarizzazione

Comprendere e manipolare la polarizzazione della luce è fondamentale per molte applicazioni ottiche. Il design ottico si concentra spesso sulla lunghezza d’onda e sull’intensità della luce, trascurando la sua polarizzazione. La polarizzazione, tuttavia, è una proprietà importante della luce che colpisce anche quei sistemi ottici che non la misurano esplicitamente., La polarizzazione della luce influisce sulla messa a fuoco dei raggi laser, influenza le lunghezze d’onda di cut-off dei filtri e può essere importante per prevenire riflessi indesiderati. È essenziale per molte applicazioni metrologiche come l’analisi dello stress in vetro o plastica, l’analisi degli ingredienti farmaceutici e la microscopia biologica. Diverse polarizzazioni della luce possono anche essere assorbite a diversi gradi dai materiali, una proprietà essenziale per schermi LCD, film 3D e occhiali da sole che riducono l’abbagliamento.,

Comprensione della polarizzazione

La luce è un’onda elettromagnetica e il campo elettrico di questa onda oscilla perpendicolarmente alla direzione di propagazione. La luce è chiamata non polarizzata se la direzione di questo campo elettrico fluttua casualmente nel tempo. Molte sorgenti luminose comuni come luce solare, illuminazione alogena, faretti a LED e lampadine a incandescenza producono luce non polarizzata. Se la direzione del campo elettrico della luce è ben definita, si chiama luce polarizzata. La fonte più comune di luce polarizzata è un laser.,

A seconda di come è orientato il campo elettrico, classifichiamo la luce polarizzata in tre tipi di polarizzazioni:

• Polarizzazione lineare: il campo elettrico della luce è limitato a un singolo piano lungo la direzione di propagazione (Figura 1).
• Polarizzazione circolare: il campo elettrico della luce è costituito da due componenti lineari perpendicolari tra loro, uguali in ampiezza, ma con una differenza di fase di π/2., Il campo elettrico risultante ruota in un cerchio attorno alla direzione di propagazione e, a seconda della direzione di rotazione, viene chiamato luce polarizzata circolarmente sinistra o destra (Figura 2).
• Polarizzazione ellittica: il campo elettrico della luce descrive un’ellisse. Ciò deriva dalla combinazione di due componenti lineari con ampiezze diverse e/o una differenza di fase che non è π/2. Questa è la descrizione più generale della luce polarizzata e la luce polarizzata circolare e lineare può essere vista come casi speciali di luce polarizzata ellittica (Figura 3).,

I due stati di polarizzazione lineare ortogonale che sono più importanti per la riflessione e la trasmissione sono indicati come polarizzazione p e S. La luce polarizzata P (dal parallelo tedesco) ha un campo elettrico polarizzato parallelo al piano di incidenza, mentre la luce polarizzata s (dal tedesco senkrecht) è perpendicolare a questo piano.,

Manipolazione della polarizzazione

Polarizzatori

Per selezionare una polarizzazione specifica della luce, vengono utilizzati polarizzatori. I polarizzatori possono essere suddivisi in polarizzatori riflettenti, dicroici e birifrangenti. Informazioni più dettagliate su quale tipo di polarizzatore è giusto per la tua applicazione possono essere trovate nella nostra Guida alla selezione dei polarizzatori.,

I polarizzatori riflettenti trasmettono la polarizzazione desiderata mentre riflettono il resto. I polarizzatori a griglia metallica sono un esempio comune di questo, costituito da molti fili sottili disposti paralleli tra loro. La luce polarizzata lungo questi fili viene riflessa, mentre la luce polarizzata perpendicolare a questi fili viene trasmessa. Altri polarizzatori riflettenti usano l’angolo di Brewster. L’angolo di Brewster è uno specifico angolo di incidenza sotto il quale viene riflessa solo la luce polarizzata S. Il fascio riflesso è polarizzato s e il fascio trasmesso diventa parzialmente polarizzato P.,

I polarizzatori dicroici assorbono una specifica polarizzazione della luce, trasmettendo il resto; i moderni polarizzatori di nanoparticelle sono polarizzatori dicroici.

I polarizzatori birifrangenti si basano sulla dipendenza dell’indice di rifrazione dalla polarizzazione della luce. Diverse polarizzazioni rifrangeranno ad angoli diversi e questo può essere usato per selezionare determinate polarizzazioni della luce.

La luce non polarizzata può essere considerata una combinazione casuale rapidamente variabile di luce polarizzata p e S., Ideale polarizzatore lineare si limita a trasmettere una delle due polarizzazioni lineari, riducendo l’iniziale polarizzata intensità I0 metà,

Per luce polarizzata linearmente con l’intensità I0, l’intensità trasmessa attraverso un ideale polarizzatore, I, può essere descritta da un Malus’ legge,

Dove q è l’angolo tra l’incidente di polarizzazione lineare e l’asse di polarizzazione., Vediamo che per gli assi paralleli si ottiene una trasmissione del 100%, mentre per gli assi a 90°, noti anche come polarizzatori incrociati, c’è una trasmissione dello 0%. Nelle applicazioni del mondo reale la trasmissione non raggiunge mai esattamente lo 0%, pertanto i polarizzatori sono caratterizzati da un rapporto di estinzione, che può essere utilizzato per determinare la trasmissione effettiva attraverso due polarizzatori incrociati.

Piastre d’onda

Mentre i polarizzatori selezionano determinate polarizzazioni della luce, scartando le altre polarizzazioni, le piastre d’onda ideali modificano le polarizzazioni esistenti senza attenuare, deviare o spostare il raggio., Lo fanno ritardando (o ritardando) una componente di polarizzazione rispetto alla sua componente ortogonale. Per determinare la piastra d’onda migliore per l’applicazione, leggere Comprensione delle piastre d’onda. Le piastre d’onda scelte correttamente possono convertire qualsiasi stato di polarizzazione in un nuovo stato di polarizzazione e sono spesso utilizzate per ruotare la polarizzazione lineare, per convertire la luce polarizzata linearmente in luce polarizzata circolarmente o viceversa.

Applicazioni

L’implementazione del controllo della polarizzazione può essere utile in una varietà di applicazioni di imaging., I polarizzatori sono posizionati sopra una sorgente luminosa, una lente o entrambi, per eliminare l’abbagliamento dalla dispersione della luce, aumentare il contrasto ed eliminare i punti caldi dagli oggetti riflettenti. Questo o tira fuori il colore più intenso o il contrasto o aiuta a identificare meglio i difetti superficiali o altre strutture altrimenti nascoste.

Riduzione dei punti caldi riflettenti& Abbagliamento

Nella figura 5, un polarizzatore lineare è stato posizionato davanti all’obiettivo in un sistema di visione artificiale per rimuovere l’abbagliamento offuscante in modo tale da poter vedere chiaramente un chip elettronico., L’immagine a sinistra (senza polarizzatore) mostra la dispersione della luce polarizzata in modo casuale dalle molte superfici di vetro tra l’oggetto e il sensore della fotocamera. Gran parte del chip è oscurato dalla riflessione di Fresnel della luce non polarizzata. L’immagine a destra (con polarizzatore) mostra il chip senza abbagliamento oscurando nessuno dei dettagli dell’oggetto, consentendo al chip di essere visualizzato, analizzato e misurato senza ostacoli.,

Lo stesso fenomeno può essere visto nella Figura 6. Nell’immagine a sinistra (senza polarizzatore), la luce non polarizzata proveniente dal sole interagisce con le finestre dell’edificio Edmund Optics e la maggior parte di questa luce si riflette dalle finestre., Nell’immagine a destra, è stato applicato un filtro polarizzatore in modo tale che la luce riflessa, ricca di un tipo di polarizzazione, venga bloccata dal sensore della fotocamera e il fotografo, utilizzando l’altro tipo di polarizzazione, possa vedere più facilmente nell’edificio.

Un altro modo caratteristico per vedere come i polarizzatori riducono l’abbagliamento riflettente è la visualizzazione delle superfici d’acqua. Nella Figura 7, la superficie dell’acqua appare riflettente nell’immagine di sinistra, oscurando ciò che è sotto la superficie. A destra, tuttavia, i detriti rocciosi sul pavimento del corpo idrico sono molto più chiaramente visibili.

I punti caldi sono porzioni altamente riflettenti di un campo all’interno di un campo riflettente più diffuso. Nella Figura 8, un polarizzatore è posizionato davanti all’obiettivo di una fotocamera e sopra la sorgente luminosa che illumina la scena per ridurre i punti caldi.

Con la luce polarizzante incrociata con due polarizzatori lineari orientati perpendicolarmente, i punti caldi possono essere ridotti o eliminati del tutto.

La differenza angolare tra gli assi di polarizzazione dei due polarizzatori è direttamente correlata alla quantità di attenuazione della luce complessiva del set di polarizzatori. Modificando l’offset dell’angolo, la densità ottica del polarizzatore può essere variata, ottenendo un effetto simile all’utilizzo di un filtro a densità neutra. Ciò garantisce che il campo complessivo sia illuminato in modo uniforme.

Migliorare gli effetti di contrasto e colore

Le guide luminose ad anello sono fonti di illuminazione popolari grazie alla loro illuminazione uniforme e diffusa. Tuttavia, possono verificarsi riflessi o riflessi dell’anello stesso., Polarizzare l’emissione luminosa dell’anello e l’obiettivo separatamente può ridurre questi effetti e far risaltare i dettagli della superficie come si vede in Figura 9.

La figura 11 mostra una foto scattata al quartier generale di Edmund Optics e la variazione del colore del cielo, dell’erba e del fogliame dall’uso o meno di un polarizzatore davanti a un obiettivo della fotocamera., Poiché gli elettroni nelle molecole d’aria diffondono la luce in molte direzioni, l’aspetto del cielo senza polarizzatore è una tonalità più chiara di blu, come si vede nell’immagine a sinistra (senza polarizzatore). Inoltre, la superficie delle foglie degli alberi e dei fili d’erba sono leggermente riflettenti. Utilizzando un polarizzatore filtra parte della luce riflessa da queste superfici, oscurando il colore percepito di queste superfici.,

Valutazione dello stress

Nei solidi amorfi come vetro e plastica, lo stress da profili di temperatura e pressione nel materiale conferisce variazioni e gradienti localizzati nelle proprietà del materiale, rendendo il materiale birifrangente e non omogeneo., Questo può essere quantificato in oggetti trasparenti utilizzando l’effetto fotoelastico, poiché lo stress e la sua correlata birifrangenza possono essere misurati con metodologie di luce polarizzata.

Gli oggetti chiari non accentati tra polarizzatori incrociati dovrebbero produrre un campo completamente scuro, tuttavia, quando è presente lo stress del materiale interno, i cambiamenti localizzati nell’indice di rifrazione ruotano l’angolo di polarizzazione, con conseguente variazione della trasmissione.

Identificazione chimica

Il controllo della polarizzazione è anche molto importante nelle industrie chimiche, farmaceutiche e alimentari e delle bevande. Molti composti chimici organici importanti, quali gli ingredienti farmaceutici attivi o gli zuccheri, hanno orientamenti multipli., Lo studio di molecole con orientamenti multipli è chiamato stereochimica.

Composti molecolari che hanno lo stesso tipo e numero di atomi, ma diverse disposizioni molecolari sono chiamati stereoisomeri. Questi stereoisomeri sono “otticamente attivi” e ruotano la luce polarizzata in direzioni diverse. La quantità di rotazione è determinata dalla natura e dalla concentrazione del composto, consentendo alla polarimetria di rilevare e quantificare la concentrazione di questi composti., Questa è la premessa per identificare quale stereoisomero può essere presente in un campione, che è importante perché gli stereoisomeri possono avere effetti chimici molto diversi. Ad esempio, lo stereoisomero limonene è la sostanza chimica che conferisce alle arance e ai limoni i loro profumi caratteristici.

Microscopia di polarizzazione

Molti tipi differenti di tecniche di microscopia quale la microscopia differenziale di contrasto di interferenza (DIC) utilizzano i polarizzatori per raggiungere vari effetti.

In un sistema semplice del microscopio di polarizzazione , un polarizzatore lineare è disposto davanti ad una sorgente luminosa del microscopio, sotto la fase dell’esemplare, per polarizzare la luce che entra nel sistema., Un altro polarizzatore lineare posto sopra lo stadio del campione viene definito “analizzatore”, poiché questo polarizzatore viene ruotato per ottenere l’effetto desiderato durante l’analisi del campione e mentre il primo polarizzatore viene mantenuto fermo. L’analizzatore viene quindi ruotato in modo tale che i piani di polarizzazione dell’analizzatore e del polarizzatore siano distanti 90°. Quando ciò è stato raggiunto, il microscopio ha una trasmissione minima( polarizzatori incrociati); la quantità di trasmissione della luce sarà proporzionale al rapporto di estinzione del polarizzatore e dell’analizzatore.,

Una volta che l’analizzatore è stato allineato perpendicolarmente al polarizzatore, un campione anisotropico o birifrangente viene posizionato sullo stadio del campione. Il campione ruota la luce polarizzata una quantità designata, proporzionale allo spessore del campione (e quindi alla distanza del percorso ottico) e alla birifrangenza del campione, prima che la luce raggiunga l’analizzatore.

L’analizzatore trasmette solo la luce che ha subito uno sfasamento indotto dal campione e continua a bloccare tutta la luce non influenzata dalla sorgente che era originariamente polarizzata dal polarizzatore., Se la birifrangenza del campione è nota, può quindi essere utilizzata per determinare lo spessore del campione. Se lo spessore del campione è noto, può essere utilizzato per dedurre la birifrangenza del campione. Una comoda tabella utilizzata per questo scopo è nota come la tabella dei colori di interferenza di Michel-Levy in Figura 14.