Understanding and manipulating the polarization of light is crucial for many optical applications. O design óptico frequentemente se concentra no comprimento de onda e intensidade da luz, negligenciando sua polarização. A polarização, no entanto, é uma importante propriedade da luz que afeta até mesmo os sistemas ópticos que não a medem explicitamente., A polarização da luz afeta o foco dos feixes laser, influencia os comprimentos de onda de corte dos filtros, e pode ser importante para evitar reflexos indesejados nas costas. É essencial para muitas aplicações de metrologia, tais como análise de estresse em vidro ou plástico, análise de ingredientes farmacêuticos e microscopia biológica. Diferentes polarizações de luz também podem ser absorvidas em diferentes graus por materiais, uma propriedade essencial para telas LCD, filmes 3D, e seus óculos de sol redutores.,
compreender a polarização
luz é uma onda eletromagnética, e o campo elétrico desta onda oscila perpendicularmente à direção de propagação. A luz é chamada de unpolarized se a direção deste campo elétrico flutua aleatoriamente no tempo. Muitas fontes de luz comuns, como a luz solar, halogênio, Luzes LED, e lâmpadas incandescentes produzem luz não-Solar. Se a direção do campo elétrico da luz é bem definida, ela é chamada de luz polarizada. A fonte mais comum de luz polarizada é um laser.,
Dependendo de como o campo elétrico é orientado, podemos classificar a luz polarizada em três tipos, de duas polarizações:
- polarização Linear: o campo elétrico da luz está confinado a um único plano ao longo da direção de propagação (Figura 1). polarização Circular: o campo elétrico da luz consiste em dois componentes lineares que são perpendiculares uns aos outros, iguais em amplitude, mas têm uma diferença de fase de π/2., O campo elétrico resultante gira em um círculo em torno da direção de propagação e, dependendo da direção de rotação, é chamado de luz circularmente polarizada à esquerda ou à direita (Figura 2). polarização elíptica: o campo elétrico da luz descreve uma elipse. Isto resulta da combinação de dois componentes lineares com amplitudes diferentes e/ou uma diferença de fase que não é π/2. Esta é a descrição mais geral da luz polarizada, e a luz polarizada circular e linear pode ser vista como casos especiais de luz polarizada elíptica (Figura 3).,
Figura 1: O campo elétrico da luz polarizada linearmente está confinada ao y-z plane (à esquerda) e o plano x-z (direita), ao longo da direção de propagação.
Figura 2: O campo elétrico da luz polarizada linearmente (esquerda) consiste de duas perpendiculares, de igual amplitude, linear componentes que têm diferença de fase., A onda de campo elétrico resultante propaga-se ao longo do plano y = X. O campo elétrico da luz circularmente polarizada (à direita) consiste em duas perpendiculares, iguais em amplitude, componentes lineares que têm uma diferença de fase de π/2 ou 90°. A onda de campo elétrico resultante propaga-se circularmente.
Figura 3: A circular do campo elétrico (à esquerda) tem dois componentes que são de igual amplitude e ter um π/2 ou 90° de diferença de fase., Se os dois componentes, no entanto, têm amplitudes diferentes, ou se há uma diferença de fase diferente de π/2, então eles vão criar luz elípticamente polarizada (direita).
os dois estados de polarização linear ortogonal que são mais importantes para a reflexão e transmissão são referidos como polarização p – E s -. A luz p-polarizada (a partir do paralelo alemão) tem um campo elétrico polarizado paralelo ao plano de incidência, enquanto a luz s-polarizada (a partir do senkrecht alemão) é perpendicular a este plano.,
Figura 4: P e S são duas polarizações lineares definidos pela sua orientação relativa ao plano de incidência.
manipulando polarização
polarizadores
a fim de selecionar uma polarização específica da luz, polarizadores são usados. Polarizadores podem ser divididos em polarizadores refletivos, dicróicos e birefringentes. Informações mais detalhadas sobre o tipo de polarizador é certo para sua aplicação podem ser encontradas no nosso guia de seleção Polarizador.,polarizadores refletivos transmitem a polarização desejada enquanto refletem o resto. Polarizadores de grade de fio são um exemplo comum disso, consistindo de muitos fios finos dispostos paralelamente um ao outro. A luz que é polarizada ao longo destes fios é refletida, enquanto a luz que é polarizada perpendicular a estes fios é transmitida. Outros polarizadores refletivos usam o ângulo de Brewster. O ângulo de Brewster é um ângulo específico de incidência sob o qual apenas luz polarizada s é refletida. O feixe refletido é polarizado em s e o feixe transmitido torna-se parcialmente polarizado em p.,polarizadores dicróicos absorvem uma polarização específica da luz, transmitindo o resto; polarizadores nanopartículas modernos são polarizadores dicroicos.
polarizadores Birefringentes dependem da dependência do Índice de refração da polarização da luz. Diferentes polarizações Irão refractar em diferentes ângulos e isso pode ser usado para selecionar certas polarizações de luz.
a luz não-Solarizada pode ser considerada uma combinação aleatória de luz polarizada em rápida variação., Ideal polarizador linear irá transmitir apenas um dos dois linear de duas polarizações, reduzindo a inicial unpolarized intensidade I0 pela metade,
Para linearmente polarizada luz com intensidade I0, a intensidade transmitida através de um ideal polarizador, I, pode ser descrita por uma Penalização de lei;
, Onde θ é o ângulo entre o incidente com polarização linear e o eixo de polarização., Vemos que para eixos paralelos, transmissão de 100% é alcançada, enquanto para eixos de 90°, também conhecidos como polarizadores cruzados, há transmissão de 0%. Em aplicações do mundo real a transmissão nunca atinge exatamente 0%, portanto, polarizadores são caracterizados por uma razão de extinção, que pode ser usado para determinar a transmissão real através de dois polarizadores cruzados.
modelos de onda
enquanto polarizadores selecionam certas polarizações de luz, descartando as outras polarizações, modelos de onda ideais modificam polarizações existentes sem atenuar, desviar ou deslocar o feixe., Eles fazem isso retardando (ou atrasando) um componente da polarização em relação ao seu componente ortogonal. Para ajudá-lo a determinar qual waveplate é melhor para a sua aplicação, leia os modelos de Waveplates de compreensão. Modelos de onda corretamente escolhidos podem converter qualquer estado de polarização em um novo estado de polarização, e são mais frequentemente usados para rodar polarização linear, para converter luz linearmente polarizada para luz circularmente polarizada ou vice-versa.
aplicações
implementação de controle de polarização pode ser útil em uma variedade de aplicações de imagem., Polarizadores são colocados sobre uma fonte de luz, lente, ou ambos, para eliminar brilho de dispersão de luz, aumentar o contraste, e eliminar pontos quentes de objetos refletivos. Isso traz uma cor mais intensa ou contraste ou ajuda a identificar melhor defeitos de superfície ou outras estruturas ocultas.
a Redução Reflexiva Hot Spots & Brilho
Na Figura 5, um polarizador linear foi colocado na frente da lente em um sistema de visão de máquina para remover ofuscando o brilho de tal forma que um chip eletrônico pode ser claramente visto., A imagem esquerda (sem polarizador) mostra luz polarizada aleatoriamente espalhando-se das muitas superfícies de vidro entre o objeto e o sensor da câmera. Grande parte do chip é obscurecida pelo reflexo de Fresnel da luz não-solarizada. A imagem à direita (com polarizador) mostra o chip sem brilho obscurecendo qualquer dos detalhes do objeto, permitindo que o chip seja visto, analisado e medido sem obstrução.,
Figura 5: Um polarizador é colocado na frente da lente de uma máquina de visão da câmera, reduzindo a luz difusa proveniente de uma superfície reflexiva entre a lente e chip eletrônico.
o mesmo fenómeno pode ser visto na Figura 6. Na imagem esquerda( sem polarizador), a luz não-colorarizada do sol está interagindo com as janelas do Edmund Optics building e a maior parte desta luz está refletindo fora das janelas., Na imagem certa, foi aplicado um filtro de polarização de tal forma que a luz refletida, rica em um tipo de polarização, está sendo bloqueada do sensor de câmera e o fotógrafo, usando o outro tipo de polarização, pode ver o edifício mais facilmente.
Figura 6: Um polarizador é colocado na frente da lente de uma câmera DSLR, reduzindo o brilho vindo de parcialmente superfície reflexiva das folhas sobre a vegetação.,
outra forma característica de ver como os polarizadores reduzem o brilho reflexivo é através da observação de superfícies de água. Na Figura 7, a superfície da água aparece refletiva na imagem esquerda, obscurecendo o que está abaixo da superfície. À direita, no entanto, os detritos rochosos no chão da massa de água é muito mais claramente visível.
Figura 7: Um polarizador é colocado na frente da lente de uma câmera DSLR reduzir o brilho vindo do parcial reflexivo superfície da água.,
pontos quentes são porções altamente refletivas de um campo dentro de um campo refletor mais difuso. Na Figura 8, um polarizador é colocado na frente da lente de uma câmera, bem como sobre a fonte de luz iluminando a cena para reduzir os pontos quentes.
Figura 8: Um polarizador linear é colocado sobre a fonte de luz, enquanto outro polarizador com uma orientação perpendicular à primeira, é colocado sobre a lente da câmera para eliminar os hot spots.,
por luz polarizante cruzada com dois polarizadores lineares que são orientados perpendicularmente, pontos quentes podem ser reduzidos ou eliminados completamente.
Figura 9: este esquema de imagem é uma maneira de eliminar ou reduzir a dispersão, brilho ou pontos quentes. A fonte de luz é polarizada pelo polarizador e a luz refletida que será fotografada é polarizada mais uma vez, desta vez pelo analisador.,
a diferença angular entre os eixos de polarização dos dois polarizadores está diretamente relacionada com a quantidade de atenuação total da luz do conjunto de polarizadores. Ao mudar o deslocamento do ângulo, a densidade óptica do conjunto polarizador pode ser variada, alcançando um efeito semelhante ao uso de um filtro de densidade neutra. Isto garante que o campo total está uniformemente iluminado.
melhorar o contraste e os efeitos de cor
as guias de luz do anel são fontes de iluminação populares devido à sua iluminação uniforme e difusa. No entanto, brilho ou reflexão do próprio anel pode ocorrer., Polarizar a saída de luz do anel e a lente separadamente pode reduzir esses efeitos, e trazer detalhes da superfície como visto na Figura 9.
Figura 10: polarizar a saída de luz do anel e a lente separadamente pode reduzir significativamente o efeito de brilho para revelar detalhes importantes da superfície.
A Figura 11 mostra uma foto tirada da sede de Edmund Optics e a variação na cor do céu, grama e folhagem do uso ou não de um polarizador na frente de uma lente de câmera., Como os elétrons no ar dispersam a luz em muitas direções, a aparência do céu sem um polarizador é um tom mais leve de azul, como visto na imagem esquerda (sem polarizador). Além disso, a superfície das folhas das árvores e das folhas da relva são muito ligeiramente reflectoras. Usando um polarizador filtra parte da luz refletida dessas superfícies, escurecendo a cor percebida dessas superfícies.,
Figura 11: Quando fotografar o céu, um polarizador na frente da lente pode alterar significativamente a cor do céu.
avaliação da tensão
em sólidos amorfo como vidro e plástico, a tensão dos perfis de temperatura e pressão no material transmite variações e gradientes localizados nas propriedades do material, tornando o material birefringente e não homogêneo., Isto pode ser quantificado em objetos transparentes usando o efeito fotoelástico, já que o estresse e sua birefringência relacionada podem ser medidos com metodologias de luz polarizadas.
Figura 12: Um par de óculos parece claro sem polarização; no entanto, o uso de polarizadores torna visível a tensão do material variações e eles aparecem como variações de cor.,
objetos claros e não esmaltados entre polarizadores cruzados devem produzir um campo completamente escuro, no entanto, quando a tensão interna do material está presente, as mudanças localizadas no índice de refração giram o ângulo de polarização, resultando em variações de transmissão.
identificação Química
o controle de polarização também é muito importante nas indústrias química, farmacêutica e de alimentos e bebidas. Muitos compostos químicos orgânicos importantes, como ingredientes farmacêuticos ativos ou açúcares, têm múltiplas orientações., O estudo de moléculas com múltiplas orientações é chamado estereoquímica.compostos moleculares que têm o mesmo tipo e número de átomos, mas diferentes arranjos moleculares são chamados estereoisômeros. Estes estereoisômeros são “opticamente ativos” e vão rodar luz polarizada em diferentes direções. A quantidade de rotação é determinada pela natureza e a concentração do composto, permitindo polarimetria para detectar e quantificar a concentração destes compostos., Esta é a premissa para identificar qual estereoisômero pode estar presente em uma amostra, o que é importante porque estereoisômeros podem ter efeitos químicos muito diferentes. Por exemplo, o estereoisômero limoneno é o produto químico que dá às laranjas e limões seus aromas característicos.
Figura 13: (+)-Limoneno, ou D-Limoneno (à esquerda), está associado com o cheiro de laranjas laranjas têm uma maior concentração desta stereoisomer do que o outro. (+)- O limoneno gira a orientação da luz incidente., (- )- Limoneno, ou L-limoneno (à direita), é associado com limões porque está altamente concentrado em limões, e ele gira a luz incidente na direção oposta como (+) – limoneno.
microscopia de polarização
muitos tipos diferentes de técnicas de microscopia, tais como contraste de interferência diferencial (DIC), utilizam polarizadores para alcançar uma variedade de efeitos.
em um sistema de microscópio de polarização simples, um polarizador linear é colocado na frente de uma fonte de luz do microscópio, abaixo do estágio da amostra, para polarizar a luz que entra no sistema., Outro polarizador linear colocado acima do estágio do espécime é referido como um” analisador”, como este polarizador é rotacionado para alcançar um efeito desejado ao analisar a amostra e enquanto o primeiro polarizador é mantido estacionário. O analisador é então rotacionado de tal forma que os planos de polarização do analisador e polarizador estão 90° separados. Quando isso for alcançado, o microscópio tem transmissão mínima (polarizadores cruzados); a quantidade de transmissão de luz será proporcional à razão de extinção do polarizador e do analisador.,
Uma vez que o analisador foi alinhado perpendicularmente ao polarizador, um espécime anisotrópico, ou birefringente, é colocado no estágio da amostra. A amostra gira a luz polarizada em uma quantidade designada, proporcional à espessura da amostra (e, portanto, a distância do caminho óptico) e a birefringência da amostra, antes que a luz chegue ao analisador.
O analisador apenas transmite a luz que experimentou uma mudança de fase induzida por um espécime e continua a bloquear toda a luz não afetada da fonte que foi originalmente polarizada pelo polarizador., Se a birrefringência do espécime é conhecida, ele pode então ser usado para determinar a espessura do espécime. Se a espessura do espécime é conhecida, pode ser usada para deduzir a birrefringência do espécime. Um gráfico conveniente usado para este fim é conhecido como o gráfico de cores de interferência de Michel-Levy na Figura 14.
