het begrijpen en manipuleren van de polarisatie van licht is cruciaal voor veel optische toepassingen. Optisch ontwerp richt zich vaak op de golflengte en intensiteit van licht, terwijl de polarisatie ervan wordt verwaarloosd. Polarisatie is echter een belangrijke eigenschap van licht die zelfs die optische systemen beïnvloedt die het niet expliciet meten., De polarisatie van licht beïnvloedt de focus van laserstralen, beïnvloedt de cut-off golflengten van filters, en kan belangrijk zijn om ongewenste terugreflecties te voorkomen. Het is essentieel voor vele metrologietoepassingen zoals spanningsanalyse in glas of plastiek, farmaceutische ingrediëntenanalyse, en biologische microscopie. Verschillende polarisaties van licht kunnen ook in verschillende mate worden geabsorbeerd door materialen, een essentiële eigenschap voor LCD-schermen, 3D-films en uw verblindingsreducerende zonnebril.,
Understanding polarisatie
licht is een elektromagnetische golf, en het elektrische veld van deze golf oscilleert loodrecht op de voortplantingsrichting. Licht wordt ongepolariseerd genoemd als de richting van dit elektrische veld willekeurig fluctueert in de tijd. Veel voorkomende lichtbronnen zoals zonlicht, halogeenverlichting, LED-spots en gloeilampen produceren ongepolariseerd licht. Als de richting van het elektrische veld van licht goed is gedefinieerd, wordt het gepolariseerd licht genoemd. De meest voorkomende bron van gepolariseerd licht is een laser.,
afhankelijk van hoe het elektrische veld is georiënteerd, classificeren we gepolariseerd licht in drie soorten polarisaties:
- lineaire polarisatie: het elektrische veld van licht is beperkt tot een enkel vlak langs de voortplantingsrichting (figuur 1).
- circulaire polarisatie: het elektrische veld van licht bestaat uit twee lineaire componenten die loodrecht op elkaar staan, gelijk in amplitude, maar een faseverschil van π/2 hebben., Het resulterende elektrische veld draait in een cirkel rond de voortplantingsrichting en wordt, afhankelijk van de draairichting, LINKS – of rechts circulair gepolariseerd licht genoemd (Figuur 2).
- elliptische polarisatie: het elektrische veld van licht beschrijft een ellips. Dit resulteert uit de combinatie van twee lineaire componenten met verschillende amplitudes en/of een faseverschil dat niet π/2 is. Dit is de meest algemene beschrijving van gepolariseerd licht, en cirkelvormig en lineair gepolariseerd licht kan worden gezien als speciale gevallen van elliptisch gepolariseerd licht (Figuur 3).,
figuur 1: Het elektrische veld van lineair gepolariseerd licht is beperkt tot het y-Z-vlak (links) en de x-z-vlak (rechts), langs de voortplantingsrichting.
Figuur 2: het elektrische veld van lineair gepolariseerd licht (links) bestaat uit twee loodrechte, gelijke in amplitude, lineaire componenten die geen faseverschil hebben., De resulterende elektrische veldgolf verspreidt zich langs het Y = X vlak. Het elektrische veld van circulair gepolariseerd licht (rechts) bestaat uit twee loodrecht, gelijk in amplitude, lineaire componenten die een faseverschil van π/2 of 90°hebben. De resulterende elektrische veldgolf verspreidt zich circulair.
Figuur 3: het cirkelvormige elektrische veld (links) heeft twee componenten met een gelijke amplitude en een π / 2 of 90° faseverschil., Als de twee componenten nochtans, verschillende amplitudes hebben, of als er een faseverschil buiten π/2 is, dan dan zullen zij elliptisch gepolariseerd licht (rechts) tot stand brengen.
de twee orthogonale lineaire polarisatietoestanden die het belangrijkst zijn voor reflectie en transmissie worden p – en s-polarisatie genoemd. P-gepolariseerd (van de Duitse parallel) licht heeft een elektrisch veld gepolariseerd evenwijdig aan het insteekvlak, terwijl s-gepolariseerd (van het Duitse senkrecht) licht loodrecht op dit vlak staat.,
Figuur 4: P en S zijn lineaire polarisaties gedefinieerd door hun relatieve oriëntatie ten opzichte van het incidentievlak.
polarisatie manipuleren
polarisatoren
om een specifieke polarisatie van licht te selecteren, worden polarisatoren gebruikt. Polarisatoren kunnen in grote lijnen worden onderverdeeld in reflecterende, dichroische en tweebredige polarisatoren. Meer gedetailleerde informatie over welk type polarisator geschikt is voor uw toepassing vindt u in onze polarisator-Selectiegids.,
reflecterende polarisatoren zenden de gewenste polarisatie door terwijl ze de rest reflecteren. Draadrasterpolarisatoren zijn hiervan een veel voorkomend voorbeeld, bestaande uit vele dunne draden die parallel aan elkaar zijn geplaatst. Licht dat langs deze draden gepolariseerd is, wordt gereflecteerd, terwijl licht dat loodrecht op deze draden gepolariseerd is, wordt overgebracht. Andere reflecterende polarisatoren gebruiken de hoek van Brewster. Brewster ‘ s hoek is een specifieke invalshoek waaronder alleen s-gepolariseerd licht wordt gereflecteerd. De gereflecteerde bundel is s-gepolariseerd en de uitgezonden bundel wordt gedeeltelijk p-gepolariseerd.,
Dichroische polarisatoren absorberen een specifieke polarisatie van licht en zenden de rest uit; moderne polarisatoren voor nanodeeltjes zijn dichroische polarisatoren.
Birefringent polarisatoren vertrouwen op de afhankelijkheid van de brekingsindex van de polarisatie van licht. Verschillende polarisaties zullen breken onder verschillende hoeken en dit kan worden gebruikt om bepaalde polarisaties van licht te selecteren.
ongepolariseerd licht kan worden beschouwd als een snel wisselende willekeurige combinatie van P – en s-gepolariseerd licht., Een ideale lineaire polarisator zal sturen slechts één van de twee lineaire polarisatie, het verminderen van de eerste gepolariseerd intensiteit I0 door de helft,
Voor lineair gepolariseerd licht met een intensiteit I0, de intensiteit verzonden via een ideale polarisator, ik, kan worden beschreven door de Malus’ wet,
Waar θ de hoek tussen de invallende lineaire polarisatie en de polarisatie-as., We zien dat Voor parallelle assen 100% transmissie wordt bereikt, terwijl voor 90° Assen, ook bekend als gekruiste polarisatoren, er 0% transmissie is. In echte wereldtoepassingen bereikt de transmissie nooit precies 0%, daarom worden polarisatoren gekenmerkt door een extinctieverhouding, die kan worden gebruikt om de werkelijke transmissie te bepalen door middel van twee gekruiste polarisatoren.
Waveplates
terwijl polarisatoren bepaalde polarisaties van licht selecteren en de andere polarisaties negeren, wijzigen ideal waveplates bestaande polarisaties zonder de bundel te verzwakken, af te wijken of te verplaatsen., Zij doen dit door één component van polarisatie met betrekking tot zijn orthogonale component te vertragen (of te vertragen). Om u te helpen bepalen welke waveplate het beste is voor uw toepassing, lees Waveplates begrijpen. Correct gekozen waveplates kunnen elke polarisatietoestand omzetten in een nieuwe polarisatietoestand, en worden meestal gebruikt om lineaire polarisatie te roteren, om lineair gepolariseerd licht om te zetten in circulair gepolariseerd licht of vice versa.
toepassingen
het implementeren van polarisatie controle kan nuttig zijn in een verscheidenheid van imaging toepassingen., Polarisatoren worden geplaatst over een lichtbron, lens, of beide, om verblinding van lichtverstrooiing te elimineren, contrast te verhogen en hotspots van reflecterende objecten te elimineren. Dit brengt ofwel intensere kleur of contrast naar voren of helpt om oppervlaktefouten of andere anderszins verborgen structuren beter te identificeren.
reducerende reflecterende hotspots & verblinding
in Figuur 5 werd een lineaire polarisator vóór de lens geplaatst in een machinezichtsysteem om verduisterende verblinding te verwijderen zodat een elektronische chip duidelijk zichtbaar was., Het linkerbeeld (zonder polarisator) toont willekeurig Gepolariseerde lichtverstrooiing van de vele glasoppervlakken tussen het object en de camerasensor. Veel van de chip is verduisterd door Fresnel reflectie van het ongepolariseerde licht. De afbeelding rechts (met polarisator) toont de chip zonder verblinding, waardoor de chip zonder obstructie kan worden bekeken, geanalyseerd en gemeten.,
Figuur 5: een polarisator wordt vóór de lens van een machinevisiecamera geplaatst, waardoor het strooilicht van een reflecterend oppervlak tussen de lens en de lens wordt verminderd.elektronische chip.
hetzelfde verschijnsel is te zien in Figuur 6. In de linker afbeelding (zonder polarisator) reageert ongepolariseerd licht van de zon op de ramen van het Edmund Optics gebouw en het grootste deel van dit licht reflecteert op de ramen., In het juiste beeld is een polarisatiefilter toegepast, zodat het gereflecteerde licht, rijk aan één polarisatietype, wordt geblokkeerd van de camerasensor en de fotograaf, met behulp van het andere polarisatietype, gemakkelijker in het gebouw kan kijken.
Figuur 6: een polarisator wordt vóór de lens van een DSLR-camera geplaatst, waardoor de verblinding van het gedeeltelijk reflecterende oppervlak van de bladeren op de vegetatie.,
een andere karakteristieke manier om te zien hoe polarisatoren reflecterende verblinding verminderen is door het bekijken van wateroppervlakken. In Figuur 7 lijkt het oppervlak van het water reflecterend in de linker afbeelding, waardoor de ondergrond wordt verduisterd. Aan de rechterkant, echter, de rotsachtige puin op de vloer van het waterlichaam is veel duidelijker zichtbaar.
Figuur 7: voor de lens van een digitale spiegelreflexcamera wordt een polarisator geplaatst die de verblinding van het gedeeltelijk reflecterende oppervlak van het water vermindert.,
hotspots zijn sterk reflecterende delen van een veld binnen een meer diffuus reflecterend veld. In Figuur 8 wordt een polarisator geplaatst voor de lens van een camera en over de lichtbron die de scène verlicht om hotspots te verminderen.
Figuur 8: Een lineaire polarisator wordt over de lichtbron geplaatst, terwijl een andere polarisator met een loodrechte oriëntatie op de eerste over de lens van de camera wordt geplaatst om hotspots te elimineren.,
door cross-polariserend licht met twee lineaire polarisatoren die loodrecht zijn georiënteerd, kunnen hotspots worden verminderd of helemaal worden geëlimineerd.
figuur 9: Dit beeldvormingsschema is een manier om verstrooiing, verblinding of hotspots te elimineren of te verminderen. De lichtbron wordt gepolariseerd door de polarisator en het gereflecteerde licht dat wordt afgebeeld wordt opnieuw gepolariseerd, deze keer door de analyzer.,
het hoekverschil tussen de polarisatieassen van de twee polarisatoren is direct gerelateerd aan de hoeveelheid totale lichtdemping van de verzameling polarisatoren. Door de hoekafwijking te veranderen, kan de optische dichtheid van de polarisatieset worden gevarieerd, waardoor een vergelijkbaar effect wordt bereikt als het gebruik van een neutrale dichtheidsfilter. Dit zorgt ervoor dat het totale veld gelijkmatig wordt verlicht.
verbetering van Contrast-en kleureffecten
Ringlichtgeleiders zijn populaire lichtbronnen vanwege hun gelijkmatige, diffuse verlichting. Echter, schittering of reflectie van de ring zelf kan optreden., Het polariseren van de ring lichtopbrengst en de lens afzonderlijk kan deze effecten verminderen, en brengen oppervlaktedetails zoals te zien in Figuur 9.
Figuur 10: het polariseren van de lichtopbrengst van de ring en de lens afzonderlijk kan het verblinde effect sterk verminderen om belangrijke oppervlaktedetails te onthullen.
Figuur 11 toont een foto genomen van Edmund Optics hoofdkwartier en de variatie in de kleur van de lucht, het gras en het gebladerte door het al dan niet gebruiken van een polarisator voor een cameralens., Omdat elektronen in luchtmoleculen licht in vele richtingen verstrooien, is het uiterlijk van de lucht zonder polarisator een lichtere tint blauw, zoals te zien in het linkerbeeld (zonder polarisator). Bovendien is het oppervlak van bladeren van bomen en op grassprieten zeer licht reflecterend. Met behulp van een polarisator filtert een deel van het licht gereflecteerd van deze oppervlakken, waardoor de waargenomen kleur van deze oppervlakken donkerder wordt.,
Figuur 11: bij het fotograferen van de hemel kan een polarisator voor de lens de kleur van de hemel drastisch veranderen.
Spanningsevaluatie
in amorfe vaste stoffen zoals glas en kunststof, zorgt stress van temperatuur-en drukprofielen in het materiaal voor lokale variaties en gradiënten in de materiaaleigenschappen, waardoor het materiaal dubbelvindend en niet-homogeen is., Dit kan in transparante voorwerpen worden gekwantificeerd gebruikend het photoelastic effect, aangezien de spanning en zijn verwante birefringence met gepolariseerde lichtmethodologieën kan worden gemeten.
Figuur 12: een bril lijkt helder zonder polarisatie; het gebruik van polarisatoren maakt echter de variaties in materiaalspanning zichtbaar en ze verschijnen als kleurvariaties.,
Onbeklemde heldere objecten tussen gekruiste polarisatoren moeten een volledig donker veld opleveren, maar wanneer interne materiaalspanning aanwezig is, draaien de gelokaliseerde veranderingen in brekingsindex de hoek van de polarisatie, wat resulteert in transmissievariaties.
chemische identificatie
polarisatie controle is ook zeer belangrijk in de chemische, farmaceutische en voedings-en drankenindustrie. Veel belangrijke organische chemische verbindingen, zoals Actieve Farmaceutische Ingrediënten of suikers, hebben meerdere oriëntaties., De studie van moleculen met meerdere oriëntaties wordt stereochemie genoemd.
moleculaire verbindingen die hetzelfde type en hetzelfde aantal atomen hebben, maar verschillende moleculaire arrangementen worden stereoisomeren genoemd. Deze stereoisomeren zijn “optisch actief” en zullen gepolariseerd licht in verschillende richtingen draaien. De hoeveelheid omwenteling wordt bepaald door de aard en de concentratie van de verbinding, die polarimetrie toestaat om de concentratie van deze samenstellingen te ontdekken en te kwantificeren., Dit is het uitgangspunt om te identificeren welke stereoisomeer in een steekproef aanwezig kan zijn, wat belangrijk is omdat stereoisomeren enorm verschillende chemische gevolgen kunnen hebben. Bijvoorbeeld, de stereoisomeer limoneen is de chemische stof die sinaasappelen en citroenen hun karakteristieke geuren geeft.
Figuur 13: (+)-limoneen, of D-limoneen (links), wordt geassocieerd met de geur van sinaasappelen omdat sinaasappelen een hogere concentratie van dit stereoisomeer hebben dan de andere. (+)- Limoneen draait de oriëntatie van invallend licht., (- )- Limoneen, of L-limoneen (rechts), wordt geassocieerd met citroenen omdat het sterk geconcentreerd is in citroenen en het invallend licht in de tegenovergestelde richting draait als (+) – limoneen.
Polarisatiemicroscopie
veel verschillende soorten microscopietechnieken, zoals de dic-microscopie (differential interferentie contrast), maken gebruik van polarisatoren om een verscheidenheid aan effecten te bereiken.
in een eenvoudig polarisatiemicroscoop-systeem wordt een lineaire polarisator geplaatst voor een microscooplichtbron, Onder het specimenstadium, om het licht dat het systeem binnenkomt te polariseren., Een andere lineaire polarisator die boven het specimenstadium wordt geplaatst wordt bedoeld als “analysator,” aangezien deze polarisator wordt geroteerd om een gewenst effect te bereiken wanneer het analyseren van de steekproef en terwijl de eerste polarisator stationaire wordt gehouden. De analysator wordt dan zo gedraaid dat de polarisatievlakken van de analysator en polarisator 90° uit elkaar liggen. Wanneer dit is bereikt, heeft de microscoop minimale transmissie (gekruiste polarisatoren); de hoeveelheid lichttransmissie zal evenredig zijn met de extinctieverhouding van de polarisator en analyzer.,
zodra de analysator loodrecht op de polarisator, een anisotroop, of tweebrekend, is gericht, wordt het monster op het monsterstadium geplaatst. Het specimen roteert het gepolariseerde licht een aangewezen hoeveelheid, evenredig aan de specimendikte (en dus de optische wegafstand) en het specimen birefringence, alvorens het licht aan de analysator bereikt.
De Analysator zendt alleen licht door dat een faseverschuiving heeft ondergaan en blijft al het onaangetaste licht van de bron blokkeren dat oorspronkelijk gepolariseerd was door de polarisator., Als de dubbelbreking van het specimen bekend is, kan het dan worden gebruikt om de dikte van het specimen te bepalen. Als de dikte van het monster bekend is, kan het worden gebruikt om de dubbelbreking van het monster af te leiden. Een handige grafiek die voor dit doel wordt gebruikt, staat bekend als de Michel-Levy interferentie kleurenkaart in Figuur 14.
Figuur 14: een Michel-Levy-interferentiekaart toont de kleur van een dubbelbrekend materiaal op basis van de dubbelbreking en materiaaldikte.,
Bedankt voor het beoordelen van deze inhoud!