Wprowadzenie do polaryzacji

zrozumienie i manipulowanie polaryzacją światła ma kluczowe znaczenie dla wielu zastosowań optycznych. Konstrukcja optyczna często skupia się na długości fali i natężeniu światła, zaniedbując jednocześnie jego polaryzację. Polaryzacja jest jednak ważną właściwością światła, która wpływa nawet na te układy optyczne, które nie mierzą go jednoznacznie., Polaryzacja światła wpływa na skupienie wiązek laserowych, wpływa na odcięte długości fal filtrów i może być ważna, aby zapobiec niepożądanym odbiciom wstecznym. Jest to niezbędne w wielu zastosowaniach metrologicznych, takich jak analiza naprężeń w szkle lub plastiku, analiza składników farmaceutycznych i mikroskopia biologiczna. Różne polaryzacje światła mogą być również pochłaniane w różnym stopniu przez Materiały, co jest istotną właściwością dla ekranów LCD, filmów 3D i okularów przeciwsłonecznych zmniejszających odblaski.,

zrozumienie polaryzacji

światło jest falą elektromagnetyczną, a pole elektryczne tej fali oscyluje prostopadle do kierunku propagacji. Światło nazywa się niepolaryzowanym, jeśli kierunek tego pola elektrycznego zmienia się losowo w czasie. Wiele popularnych źródeł światła, takich jak światło słoneczne, Oświetlenie Halogenowe, reflektory LED i żarówki wytwarzają niepolaryzowane światło. Jeśli kierunek pola elektrycznego światła jest dobrze określony, nazywa się go światłem spolaryzowanym. Najczęstszym źródłem światła spolaryzowanego jest laser.,

w zależności od tego, jak zorientowane jest pole elektryczne, klasyfikujemy światło spolaryzowane na trzy rodzaje polaryzacji:

• polaryzacja liniowa: pole elektryczne światła jest ograniczone do jednej płaszczyzny wzdłuż kierunku propagacji (Rysunek 1).
• Polaryzacja Kołowa: pole elektryczne światła składa się z dwóch liniowych składników, które są prostopadłe do siebie, równe amplitudzie, ale mają różnicę fazową π/2., Powstałe pole elektryczne obraca się w okręgu wokół kierunku propagacji i, w zależności od kierunku obrotu, nazywa się lewostronnym lub prawostronnym kołowo spolaryzowanym światłem (ryc. 2).
• Polaryzacja eliptyczna: pole elektryczne światła opisuje elipsę. Wynika to z połączenia dwóch składowych liniowych o różnych amplitudach i/lub różnicy fazowej, która nie jest π/2. Jest to najbardziej ogólny opis światła spolaryzowanego, a okrągłe i liniowe światło spolaryzowane można postrzegać jako specjalne przypadki światła spolaryzowanego eliptycznie (Rysunek 3).,

dwa ortogonalne Stany polaryzacji liniowej, które są najważniejsze dla odbicia i transmisji, nazywane są polaryzacją p i S. P-spolaryzowane (z niemieckiego równoległego) światło ma pole elektryczne spolaryzowane równolegle do płaszczyzny padania, podczas gdy s-spolaryzowane (z niemieckiego senkrechta) światło jest prostopadłe do tej płaszczyzny.,

manipulowanie polaryzacją

Polaryzatory

w celu wyboru konkretnej polaryzacji światła stosowane są polaryzatory. Polaryzatory można ogólnie podzielić na odblaskowe, dichroiczne i dwójłomne polaryzatory. Bardziej szczegółowe informacje na temat tego, jaki rodzaj polaryzatora jest odpowiedni dla Twojej aplikacji, można znaleźć w naszym Przewodniku wyboru polaryzatora.,

Polaryzatory odblaskowe przekazują pożądaną polaryzację, jednocześnie odbijając resztę. Polaryzatory siatki drucianej są powszechnym tego przykładem, składającym się z wielu cienkich drutów ułożonych równolegle do siebie. Światło spolaryzowane wzdłuż tych przewodów jest odbijane, podczas gdy światło spolaryzowane prostopadle do tych przewodów jest przesyłane. Inne polaryzatory odblaskowe wykorzystują kąt Brewstera. Kąt Brewstera to określony kąt padania, pod którym odbija się tylko światło spolaryzowane S. Odbita wiązka jest spolaryzowana s, a przesyłana wiązka staje się częściowo spolaryzowana P.,

polaryzatory dichroiczne absorbują określoną polaryzację światła, przepuszczając resztę; nowoczesne polaryzatory nanocząstek są polaryzatorami dichroicznymi.

Polaryzatory Dwójłomne polegają na zależności współczynnika załamania światła od polaryzacji światła. Różne polaryzacje będą załamywać się pod różnymi kątami i może to być wykorzystane do wyboru pewnych polaryzacji światła.

światło Niepolaryzowane można uznać za szybko zmieniającą się kombinację losową światła spolaryzowanego p i S., Idealny polaryzator liniowy transmituje tylko jedną z dwóch polaryzacji liniowych, zmniejszając początkowe niepolaryzowane natężenie I0 o połowę,

dla światła liniowo spolaryzowanego o natężeniu I0, natężenie przesyłane przez idealny polaryzator, I, może być opisane przez prawo Malusa,

gdzie θ jest kątem między padającą polaryzacją liniową a osią polaryzacji., Widzimy, że dla osi równoległych uzyskuje się transmisję 100%, podczas gdy dla osi 90°, znanych również jako skrzyżowane polaryzatory, transmisja wynosi 0%. W rzeczywistych zastosowaniach transmisja nigdy nie osiąga dokładnie 0%, dlatego polaryzatory charakteryzują się współczynnikiem ekstynkcji, który można wykorzystać do określenia rzeczywistej transmisji przez dwa skrzyżowane polaryzatory.

płyty falowe

podczas gdy polaryzatory wybierają pewne polaryzacje światła, odrzucając inne polaryzacje, idealne płyty falowe modyfikują istniejące polaryzacje bez tłumienia, odchylania lub przemieszczenia wiązki., Robią to, opóźniając (lub opóźniając) jeden składnik polaryzacji w odniesieniu do jego ortogonalnego składnika. Aby pomóc ci określić, która płytka falowa jest najlepsza dla Twojej aplikacji, Przeczytaj informacje o płytkach falowych. Prawidłowo dobrane płyty falowe mogą przekształcić dowolny stan polaryzacji w nowy stan polaryzacji i są najczęściej używane do obracania polaryzacji liniowej, do konwersji światła spolaryzowanego liniowo na światło spolaryzowane kołowo lub odwrotnie.

Aplikacje

implementacja kontroli polaryzacji może być przydatna w różnych aplikacjach obrazowania., Polaryzatory są umieszczane nad źródłem światła, obiektywem lub obydwoma, aby wyeliminować odblaski z rozpraszania światła, zwiększyć kontrast i wyeliminować gorące punkty z obiektów odblaskowych. To albo wydobywa bardziej intensywny kolor lub kontrast lub pomaga lepiej zidentyfikować defekty powierzchni lub inne skądinąd Ukryte struktury.

redukcja odblaskowych punktów zapalnych& odblask

Na Rysunku 5, polaryzator liniowy został umieszczony przed obiektywem w maszynowym systemie wizyjnym, aby usunąć zaciemniające odblaski, tak aby można było wyraźnie zobaczyć układ elektroniczny., Lewy obraz (bez polaryzatora) pokazuje losowo spolaryzowane światło rozpraszające się z wielu szklanych powierzchni między obiektem a czujnikiem kamery. Większość Chipa jest zasłonięta przez Fresnela odbicie niepolaryzowanego światła. Obraz po prawej stronie (z polaryzatorem) pokazuje chip Bez odblasków zasłaniających jakiekolwiek szczegóły obiektu, umożliwiając oglądanie, analizowanie i mierzenie Chipa bez przeszkód.,

to samo zjawisko widać na rysunku 6. Na lewym obrazie (bez polaryzatora) niepolaryzowane światło słoneczne oddziałuje z oknami budynku Edmunda optyka i większość tego światła odbija się od okien., W odpowiednim obrazie zastosowano filtr polaryzacyjny tak, że odbite światło, bogate w jeden typ polaryzacji, jest blokowane z czujnika kamery, a fotograf, korzystając z drugiego typu polaryzacji, może łatwiej widzieć w budynku.

innym charakterystycznym sposobem, aby zobaczyć, jak polaryzatory zmniejszają odblaski, jest oglądanie powierzchni wody. Na rysunku 7 Powierzchnia wody wydaje się odbijać na lewym obrazie, zasłaniając to, co znajduje się pod powierzchnią. Po prawej jednak znacznie wyraźniej widoczne są skaliste gruzy na dnie zbiornika wodnego.

Hot spoty są wysoce odblaskowymi częściami pola w bardziej rozproszonym polu odbijającym. Na rysunku 8 polaryzator umieszczony jest przed obiektywem aparatu, a także nad źródłem światła oświetlającym scenę w celu zmniejszenia gorących punktów.

dzięki polaryzacji krzyżowej światła z dwoma polaryzatorami liniowymi, które są zorientowane prostopadle, gorące punkty można zmniejszyć lub całkowicie wyeliminować.

różnica kątowa między osiami polaryzacji dwóch polaryzatorów jest bezpośrednio związana z ilością ogólnego tłumienia światła zestawu polaryzatorów. Zmieniając przesunięcie kątowe, można zmieniać gęstość optyczną zestawu polaryzatorów, uzyskując efekt podobny do zastosowania filtra o neutralnej gęstości. Zapewnia to równomierne oświetlenie całego pola.

poprawiające kontrast i efekty kolorystyczne

Prowadnice pierścieniowe są popularnymi źródłami oświetlenia ze względu na równomierne, rozproszone oświetlenie. Może jednak wystąpić odblask lub odbicie samego Pierścienia., Polaryzacja światła pierścieniowego i obiektywu oddzielnie może zmniejszyć te efekty i wydobyć szczegóły powierzchni, jak widać na rysunku 9.

Rysunek 11 przedstawia zdjęcie wykonane przez Edmunda Optyka oraz zmianę koloru nieba, trawy i liści z używania lub nie używania polaryzatora przed obiektywem aparatu., Ponieważ elektrony w cząsteczkach powietrza rozpraszają światło w wielu kierunkach, wygląd nieba bez polaryzatora jest jaśniejszym odcieniem niebieskiego, jak widać na lewym zdjęciu (bez polaryzatora). Dodatkowo powierzchnia liści drzew i na źdźbłach traw jest bardzo lekko odbijająca. Za pomocą polaryzatora filtruje część światła odbitego od tych powierzchni, zaciemniając postrzegany kolor tych powierzchni.,

ocena naprężeń

w amorficznych ciałach stałych, takich jak szkło i plastik, naprężenia z profili temperatury i ciśnienia w materiale powodują lokalne zmiany i gradienty właściwości materiału, dzięki czemu materiał jest dwójłomny i niehomogenny., Można to określić ilościowo w obiektach przezroczystych za pomocą efektu fotoelastycznego, ponieważ stres i związana z nim dwójłomność mogą być mierzone za pomocą metod światła spolaryzowanego.

nieakcentowane jasne obiekty między skrzyżowanymi polaryzatorami powinny dawać całkowicie ciemne pole, jednak gdy występuje wewnętrzne naprężenie materiałowe, zlokalizowane zmiany współczynnika załamania obracają kąt polaryzacji, powodując zmiany transmisji.

Identyfikacja chemiczna

Kontrola polaryzacji jest również bardzo ważna w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym i spożywczym. Wiele ważnych organicznych związków chemicznych, takich jak aktywne składniki farmaceutyczne lub cukry, ma wiele orientacji., Badanie cząsteczek o wielu orientacjach nazywa się stereochemią.

związki molekularne, które mają ten sam typ i liczbę atomów, ale różne układy molekularne nazywane są stereoizomerami. Te stereoizomery są „optycznie aktywne” i będą obracać światło spolaryzowane w różnych kierunkach. Wielkość obrotu zależy od charakteru i stężenia związku, co pozwala polarymetrii wykryć i określić ilościowo stężenie tych związków., Jest to przesłanka do identyfikacji, które stereoizomer może być obecny w próbce, co jest ważne, ponieważ stereoizomery mogą mieć znacznie różne efekty chemiczne. Na przykład stereoizomer limonene jest substancją chemiczną, która nadaje pomarańczom i cytrynom charakterystyczne zapachy.

mikroskopia Polaryzacyjna

wiele różnych rodzajów technik mikroskopowych, takich jak mikroskopia różnicowa kontrastu interferencyjnego (DIC), wykorzystuje polaryzatory do osiągnięcia różnych efektów.

w prostym systemie mikroskopu polaryzacyjnego , polaryzator liniowy jest umieszczony przed źródłem światła mikroskopu, poniżej etapu próbki, aby spolaryzować światło wpadające do systemu., Inny polaryzator liniowy umieszczony powyżej etapu próbki jest określany jako „analizator”, ponieważ ten polaryzator jest obracany w celu osiągnięcia pożądanego efektu podczas analizy próbki i podczas gdy pierwszy polaryzator jest utrzymywany w stanie stacjonarnym. Analizator jest następnie obracany w taki sposób, że płaszczyzny polaryzacji analizatora i polaryzatora są oddalone od siebie o 90°. Po osiągnięciu tego celu mikroskop ma minimalną transmisję (skrzyżowane polaryzatory); ilość przepuszczalności światła będzie proporcjonalna do współczynnika ekstynkcji polaryzatora i analizatora.,

po wyrównaniu analizatora prostopadle do polaryzatora, anizotropowego lub dwójłomnego, próbka jest umieszczana na etapie próbki. Próbka obraca spolaryzowane światło o wyznaczoną ilość, proporcjonalną do grubości próbki (a tym samym odległości ścieżki optycznej) i dwójłomności próbki, zanim światło dotrze do analizatora.

analizator przepuszcza tylko światło, które doświadczyło przesunięcia fazowego wywołanego przez próbkę i nadal blokuje całe niezakłócone światło ze źródła, które pierwotnie było spolaryzowane przez polaryzator., Jeśli znana jest dwójłomność próbki, można ją wykorzystać do określenia grubości próbki. Jeśli grubość próbki jest znana, można ją wykorzystać do wydedukowania dwójłomności próbki. Wygodny Wykres używany w tym celu jest znany jako wykres kolorów zakłóceń Michel-Levy na rysunku 14.