introduktion till polarisering

att förstå och manipulera polariseringen av ljus är avgörande för många optiska applikationer. Optisk design fokuserar ofta på ljusets våglängd och intensitet, samtidigt som den försummar sin polarisering. Polarisering är dock en viktig egenskap hos ljus som påverkar även de optiska system som inte uttryckligen mäter det., Polariseringen av ljus påverkar fokus för laserstrålar, påverkar avskärningsvåglängder av filter, och kan vara viktigt att förhindra oönskade tillbaka reflektioner. Det är viktigt för många metrologiska applikationer som stressanalys i glas eller plast, farmaceutisk ingrediensanalys och biologisk mikroskopi. Olika polariseringar av ljus kan också absorberas i olika grad av material, en viktig egenskap för LCD-skärmar, 3D-filmer och dina bländningsreducerande solglasögon.,

förstå polarisering

ljus är en elektromagnetisk våg, och det elektriska fältet för denna våg oscillerar vinkelrätt mot utbredningsriktningen. Ljus kallas unpolariserad om riktningen för detta elektriska fält fluktuerar slumpmässigt i tid. Många vanliga ljuskällor som solljus, halogenbelysning, LED-strålkastare och glödlampor producerar opolariserat ljus. Om riktningen för det elektriska ljusfältet är väldefinierat kallas det polariserat ljus. Den vanligaste källan till polariserat ljus är en laser.,

beroende på hur det elektriska fältet är orienterat klassificerar vi polariserat ljus i tre typer av polariseringar:

• linjär polarisering: det elektriska ljusfältet är begränsat till ett enda plan längs spridningsriktningen (Figur 1).
• cirkulär polarisering: det elektriska ljusfältet består av två linjära komponenter som är vinkelräta mot varandra, lika med Amplitud, men har en fasskillnad på π / 2., Det resulterande elektriska fältet roterar i en cirkel runt utbredningsriktningen och kallas, beroende på rotationsriktningen, vänster eller höger cirkulärt polariserat ljus (figur 2).
• elliptisk polarisering: det elektriska ljusfältet beskriver en ellips. Detta beror på kombinationen av två linjära komponenter med olika amplituder och/eller en fasskillnad som inte är π / 2. Detta är den mest allmänna beskrivningen av polariserat ljus, och cirkulärt och linjärt polariserat ljus kan ses som speciella fall av elliptiskt polariserat ljus (figur 3).,

de två ortogonala linjära polarisationstillstånden som är viktigast för reflektion och överföring kallas p – och s-polarisering. P-polariserad (från den tyska parallellen) ljus har ett elektriskt fält polariserat parallellt med planet för incidensen, medan S-polariserad (från den tyska senkrecht) ljus är vinkelrätt mot detta plan.,

manipulera polarisering

polarisatorer

för att välja en specifik polarisering av ljus används polarisatorer. Polarisatorer kan i stort sett delas in i reflekterande, dikroiska och birefringenta polarisatorer. Mer detaljerad information om vilken typ av polarisator som är rätt för din ansökan finns i vår polarizer Selection Guide.,

reflekterande polariserare sänder den önskade polariseringen samtidigt som resten reflekteras. Trådnät polarisatorer är ett vanligt exempel på detta, bestående av många tunna trådar anordnade parallellt med varandra. Ljus som polariseras längs dessa ledningar reflekteras, medan ljus som är polariserat vinkelrätt mot dessa ledningar överförs. Andra reflekterande polarisatorer använder Brewsters vinkel. Brewsters vinkel är en specifik infallsvinkel under vilken endast s-polariserat ljus reflekteras. Den reflekterade strålen är s-polariserad och den överförda strålen blir delvis p-polariserad.,

dikroiska polarisatorer absorberar en specifik polarisering av ljus, överför resten; moderna nanopartikelpolarisatorer är dikroiska polarisatorer.

Birefringent polarisatorer är beroende av brytningsindexet på ljusets polarisering. Olika polariseringar kommer att bryta i olika vinklar och detta kan användas för att välja vissa polariseringar av ljus.

Unpolariserat ljus kan betraktas som en snabbt varierande slumpmässig kombination av p – och s-polariserat ljus., En idealisk linjär polarisator sänder endast en av de två linjära polarisationerna, vilket minskar den ursprungliga unpolariserade intensiteten I0 med hälften,

för linjärt polariserat ljus med intensitet I0, kan intensiteten som överförs via en idealisk polarisator, i, beskrivas av Malus lag,

där θ är vinkeln mellan den infallande linjära polarisationen och polarisationsaxeln., Vi ser att för parallella axlar uppnås 100% överföring, medan för 90° axlar, även kända som korsade polarisatorer, finns det 0% överföring. I verkliga applikationer når överföringen aldrig exakt 0%, därför kännetecknas polarisatorer av ett utrotningsförhållande, vilket kan användas för att bestämma den faktiska överföringen genom två korsade polarisatorer.

Vågspelar

medan polariserare väljer vissa polariseringar av ljus, kasserar de andra polarisationerna, ändrar ideala vågspelater befintliga polarisationer utan att försvaga, avvika eller förskjuta strålen., De gör detta genom att fördröja (eller fördröja) en del av polariseringen med avseende på dess ortogonala komponent. För att hjälpa dig att bestämma vilken vågplatta som är bäst för din applikation, läs förstå Vågplattor. Korrekt valda vågplattor kan konvertera något polarisationstillstånd till ett nytt polarisationstillstånd och används oftast för att rotera linjär polarisering, för att konvertera linjärt polariserat ljus till cirkulärt polariserat ljus eller vice versa.

program

implementering av polarisationskontroll kan vara användbart i en mängd olika bildprogram., Polarisatorer placeras över en ljuskälla, lins eller båda för att eliminera bländning från ljusspridning, öka kontrasten och eliminera heta fläckar från reflekterande föremål. Detta ger antingen ut mer intensiv färg eller kontrast eller hjälper till att bättre identifiera ytdefekter eller andra på annat sätt dolda strukturer.

minska reflekterande Hot Spots& bländning

i Figur 5 placerades en linjär polarisator framför linsen i ett maskinvisionssystem för att avlägsna obfuscating bländning så att ett elektroniskt chip tydligt kunde ses., Den vänstra bilden (utan polarisator) visar slumpmässigt polariserad ljusspridning av de många glasytorna mellan objektet och kamerasensorn. Mycket av chipet skyms av Fresnel reflektion av det opolariserade ljuset. Bilden till höger (med polarisator) visar chipet utan bländning som döljer någon av objektdetaljerna, vilket gör att chipet kan ses, analyseras och mätas utan obstruktion.,

samma fenomen kan ses i Figur 6. I den vänstra bilden (utan polarisator) interagerar unpolariserat ljus från solen med Edmund Optics-byggnadens fönster och det mesta av detta ljus reflekterar av fönstren., I rätt bild har ett polariserande filter applicerats så att det reflekterade ljuset, rikt på en polarisationstyp, blockeras från kamerasensorn och fotografen, med den andra polarisationstypen, lättare kan se in i byggnaden.

ett annat karakteristiskt sätt att se hur polarisatorer minskar reflekterande bländning är genom att visa vattenytor. I Figur 7 visas vattnets yta reflekterande i den vänstra bilden och döljer vad som ligger under ytan. Till höger är dock det steniga skräpet på golvet i vattenkroppen mycket tydligare synligt.

hot spots är mycket reflekterande delar av ett fält inom ett mer diffust reflekterande fält. I Figur 8 placeras en polarisator framför kamerans lins samt över ljuskällan som belyser scenen för att minska hot spots.

genom kors polariserande ljus med två linjära polarisatorer som är orienterade vinkelrätt, hot spots kan minskas eller elimineras helt och hållet.

vinkelskillnaden mellan axlarna för polarisering av de två polarisatorerna är direkt relaterad till mängden total ljuddämpning av uppsättningen polarisatorer. Genom att ändra vinkelförskjutningen kan polarisatorns optiska densitet varieras, vilket ger en liknande effekt som att använda ett neutralt densitetsfilter. Detta säkerställer att det övergripande fältet är jämnt upplyst.

förbättra kontrast och färgeffekter

Ringljusguider är populära belysningskällor på grund av deras jämn, diffus belysning. Emellertid kan bländning eller reflektion av själva ringen förekomma., Polarisera ringljusutgången och linsen separat kan minska dessa effekter, och föra ut ytdetaljer som framgår av Figur 9.

Figur 11 visar ett foto som tagits av Edmund Optics huvudkontor och variationen i färgen på himlen, gräset och lövverket från att använda eller inte använda en polarisator framför en kameralins., Eftersom elektroner i luftmolekyler sprider ljus i många riktningar är utseendet på himlen utan polarisator en ljusare nyans av blått, vilket ses i vänster bild (utan polarisator). Dessutom är ytan på löv av träd och på gräsblad mycket lite reflekterande. Med hjälp av en polarisator filtrerar ut en del av det ljus som reflekteras från dessa ytor, mörkare den upplevda färgen på dessa ytor.,

Stressutvärdering

i amorfa fasta ämnen som glas och plast, stress från temperatur-och tryckprofiler i materialet ger lokaliserade variationer och gradienter i materialegenskaperna, vilket gör materialet birefringent och nonhomogen., Detta kan kvantifieras i transparenta objekt med hjälp av den fotoelastiska effekten, eftersom stress och dess relaterade birefringens kan mätas med polariserade ljusmetoder.

otryckta klara objekt mellan korsade polarisatorer bör ge ett helt mörkt fält, men när intern materialspänning är närvarande, roterar de lokaliserade förändringarna i brytningsindex polarisationsvinkeln, vilket resulterar i överföringsvariationer.

kemisk identifiering

Polarisationskontroll är också mycket viktigt inom kemi -, läkemedels-och livsmedels-och dryckesindustrin. Många viktiga organiska kemiska föreningar, såsom aktiva farmaceutiska ingredienser eller sockerarter, har flera inriktningar., Studien av molekyler med flera orienteringar kallas stereokemi.

molekylära föreningar som har samma typ och antal atomer, men olika molekylära arrangemang kallas stereoisomerer. Dessa stereoisomerer är” optiskt aktiva ” och roterar polariserat ljus i olika riktningar. Mängden rotation bestäms av naturen och koncentrationen av föreningen, vilket gör det möjligt för polarimetri att detektera och kvantifiera koncentrationen av dessa föreningar., Detta är förutsättningen för att identifiera vilka stereoisomer som kan förekomma i ett prov, vilket är viktigt eftersom stereoisomerer kan ha väldigt olika kemiska effekter. Stereoisomer limonen är till exempel den kemikalie som ger Apelsiner och citroner sina karakteristiska dofter.

polarisationsmikroskopi

många olika typer av mikroskopi tekniker såsom differential interferenskontrast (DIC) mikroskopi använder polarisatorer för att uppnå en mängd olika effekter.

i ett enkelt polarisationsmikroskopsystem placeras en linjär polarisator framför en mikroskopljuskälla , under preparatfasen, för att polarisera ljuset som kommer in i systemet., En annan linjär polarisator placerad ovanför provstadiet kallas en ”analysator”, eftersom denna polarisator roteras för att uppnå en önskad effekt vid analys av provet och medan den första polarisatorn hålls stationär. Analysatorn roteras sedan så att analysatorns och polarisatorns polarisationsplaner är 90° ifrån varandra. När detta har uppnåtts har mikroskopet minsta överföring (korsade polarisatorer); mängden ljustransmission kommer att vara proportionell mot utrotningsförhållandet hos polarisatorn och analysatorn.,

När analysatorn har justerats vinkelrätt mot polarisatorn placeras ett anisotropt eller birefringent prov på preparatstadiet. Preparatet roterar polariserat ljus en angiven mängd, proportionell mot preparattjockleken (och därmed den optiska vägen avstånd) och preparat dubbelbrytning, innan det ljus når till analysatorn.

analysatorn sänder endast ljus som har upplevt ett preparatinducerat fasskifte och fortsätter att blockera allt opåverkat ljus från källan som ursprungligen polariserades av polarisatorn., Om preparets birefringens är känd kan den sedan användas för att bestämma preparattjockleken. Om preparattjockleken är känd kan den användas för att härleda preparets birefringens. Ett bekvämt diagram som används för detta ändamål kallas Michel-Levy interferensfärgdiagrammet i figur 14.