Polaryzator - Polarizer

Filtr polaryzacyjny odcina odbicia (u góry) i umożliwia obserwowanie fotografa przez szybę mniej więcej pod kątem Brewstera, chociaż odbicia od tylnej szyby samochodu nie są odcinane, ponieważ są słabiej spolaryzowane, zgodnie z równaniami Fresnela .

Polaryzator lub polaryzator jest filtr optyczny , który pozwala na lekkie fale konkretnej polaryzacji przepuszczapozostałej blokowanie lekkie fale innych polaryzacji. Może filtrować wiązkę światła o nieokreślonej lub mieszanej polaryzacji na wiązkę o ściśle określonej polaryzacji, czyli światło spolaryzowane . Powszechnymi typami polaryzatorów są polaryzatory liniowe i polaryzatory kołowe. Polaryzatory są wykorzystywane w wielu technikach i przyrządach optycznych , a filtry polaryzacyjne znajdują zastosowanie w fotografii i technologii LCD . Polaryzatory mogą być również wykonane dla innych rodzajów fal elektromagnetycznych poza światłem widzialnym, takich jak fale radiowe , mikrofale i promieniowanie rentgenowskie .

Polaryzatory liniowe

Polaryzatory liniowe można podzielić na dwie ogólne kategorie: polaryzatory absorpcyjne, w których niepożądane stany polaryzacji są absorbowane przez urządzenie, oraz polaryzatory rozdzielające wiązkę, w których wiązka niespolaryzowana jest dzielona na dwie wiązki o przeciwnych stanach polaryzacyjnych. Polaryzatory, które zachowują te same osie polaryzacji z różnymi kątami padania, często nazywane są polaryzatorami kartezjańskimi , ponieważ wektory polaryzacji można opisać prostymi współrzędnymi kartezjańskimi (np. poziomymi i pionowymi) niezależnymi od orientacji powierzchni polaryzatora. Gdy dwa stany polaryzacji odnoszą się do kierunku powierzchni (zwykle spotykane przy odbiciu Fresnela), są zwykle określane jako s i p . To rozróżnienie na polaryzację kartezjańską i sp może być w wielu przypadkach pomijalne, ale staje się istotne dla uzyskania wysokiego kontrastu i szerokich kątowych rozrzutów padającego światła.

Polaryzatory absorpcyjne

Niektóre kryształy , ze względu na efekty opisane przez optykę kryształów , wykazują dichroizm , preferencyjną absorpcję światła spolaryzowanego w określonych kierunkach. Dzięki temu mogą być używane jako polaryzatory liniowe. Najbardziej znanym kryształem tego typu jest turmalin . Jednak ten kryształ jest rzadko używany jako polaryzator, ponieważ efekt dichroiczny jest silnie zależny od długości fali i kryształ wydaje się zabarwiony. Herapathite jest również dichroiczny i nie jest mocno zabarwiony, ale trudno go wyhodować w dużych kryształach.

Polaroid polaryzacyjny Filtr działa podobnie w skali atomowej do polaryzatora drutu siatki. Pierwotnie był wykonany z mikroskopijnych kryształów herapatytu. Jego obecny kształt arkusza H jest wykonany z plastiku z polialkoholu winylowego (PVA) z domieszką jodu . Rozciąganie arkusza podczas produkcji powoduje, że łańcuchy PVA ustawiają się w jednym określonym kierunku. Elektrony walencyjne z domieszki jodu mogą poruszać się liniowo wzdłuż łańcuchów polimerowych, ale nie poprzecznie do nich. Tak więc światło padające spolaryzowane równolegle do łańcuchów jest pochłaniane przez arkusz; światło spolaryzowane prostopadle do łańcuchów jest przepuszczane. Trwałość i praktyczność Polaroida sprawia, że ​​jest to najczęściej stosowany rodzaj polaryzatora, np. do okularów przeciwsłonecznych , filtrów fotograficznych i wyświetlaczy ciekłokrystalicznych . Jest też znacznie tańszy niż inne typy polaryzatorów.

Nowoczesny typ polaryzatora absorpcyjnego zbudowany jest z wydłużonych nanocząstek srebra osadzonych w cienkich (≤0,5 mm) płytkach szklanych. Te polaryzatory są trwalsze i mogą polaryzować światło znacznie lepiej niż plastikowa folia Polaroid, osiągając współczynniki polaryzacji tak wysokie jak 100 000:1 i absorpcję prawidłowo spolaryzowanego światła tak niską, jak 1,5%. Takie szklane polaryzatory najlepiej sprawdzają się w przypadku krótkofalowego światła podczerwonego i są szeroko stosowane w komunikacji światłowodowej .

Polaryzatory rozdzielające wiązkę

Dzielenie belki polaryzatory podzielić padającą wiązkę na dwie wiązki o różnej polaryzacji liniowej . Dla idealnego dzielnika polaryzacyjnego byłyby one w pełni spolaryzowane, z polaryzacjami ortogonalnymi. Jednak w przypadku wielu popularnych polaryzatorów rozdzielających wiązkę tylko jedna z dwóch wiązek wyjściowych jest w pełni spolaryzowana. Drugi zawiera mieszaninę stanów polaryzacyjnych.

W przeciwieństwie do polaryzatorów absorpcyjnych, polaryzatory rozdzielające wiązkę nie muszą absorbować i rozpraszać energii odrzuconego stanu polaryzacji, dlatego są bardziej odpowiednie do stosowania z wiązkami o dużej intensywności, takimi jak światło laserowe . Prawdziwe polaryzacyjne dzielniki wiązki są również przydatne, gdy dwa składniki polaryzacji mają być analizowane lub używane jednocześnie.

Polaryzacja przez odbicie Fresnela

Stos płytek pod kątem Brewstera do wiązki odbija ułamek s -spolaryzowanego światła na każdej powierzchni, pozostawiając p -spolaryzowaną wiązkę. Pełna polaryzacja pod kątem Brewstera wymaga znacznie większej liczby płyt niż pokazano. Strzałki wskazują kierunek pola elektrycznego, a nie pola magnetycznego, które jest prostopadłe do pola elektrycznego

Gdy światło odbija się (przez odbicie Fresnela) pod kątem od granicy między dwoma przezroczystymi materiałami, współczynnik odbicia jest inny dla światła spolaryzowanego w płaszczyźnie padania i światła spolaryzowanego prostopadle do niego. Mówi się, że światło spolaryzowane w płaszczyźnie jest p -spolaryzowane, podczas gdy spolaryzowane prostopadle do niej jest s -spolaryzowane. Pod specjalnym kątem znanym jako kąt Brewstera , żadne światło spolaryzowane p nie odbija się od powierzchni, dlatego całe odbite światło musi być s -polaryzowane, z polem elektrycznym prostopadłym do płaszczyzny padania.

Prosty polaryzator liniowy można wykonać przechylając stos płytek szklanych pod kątem Brewstera do wiązki. Część s- spolaryzowanego światła odbija się od każdej powierzchni każdej płytki. W przypadku stosu płytek każde odbicie wyczerpuje padającą wiązkę światła spolaryzowanego s , pozostawiając większą część światła spolaryzowanego p w przepuszczanej wiązce na każdym etapie. Dla światła widzialnego w powietrzu i typowym szkle, kąt Brewstera wynosi około 57°, a około 16% s- spolaryzowanego światła obecnego w wiązce jest odbijane dla każdego przejścia powietrze-szkło lub szkło-powietrze. Przy takim podejściu potrzeba wielu płyt, aby osiągnąć nawet przeciętną polaryzację transmitowanej wiązki. W przypadku stosu 10 płytek (20 odbić) przepuszczane jest około 3% (= (1 − 0,16) 20 ) s- spolaryzowanego światła. Odbita wiązka, gdy jest w pełni spolaryzowana, jest rozciągnięta i może nie być zbyt użyteczna.

Bardziej użyteczną wiązkę spolaryzowaną można uzyskać, przechylając stos płyt pod bardziej stromym kątem do wiązki padającej. Wbrew intuicji, użycie kątów padania większych niż kąt Brewstera daje wyższy stopień polaryzacji transmitowanej wiązki, kosztem zmniejszonej całkowitej transmisji. Dla kątów padania większych niż 80° polaryzacja transmitowanej wiązki może zbliżyć się do 100% przy zaledwie czterech płytach, chociaż w tym przypadku transmitowana intensywność jest bardzo niska. Dodanie większej liczby płytek i zmniejszenie kąta pozwala na osiągnięcie lepszego kompromisu między transmisją a polaryzacją.

Polaryzator drutowo -siatkowy przekształca niespolaryzowaną wiązkę w wiązkę o pojedynczej polaryzacji liniowej . Kolorowe strzałki przedstawiają wektor pola elektrycznego. Fale spolaryzowane ukośnie również przyczyniają się do polaryzacji transmitowanej. Ich składowe pionowe są przepuszczane (pokazane), podczas gdy składowe poziome są pochłaniane i odbijane (nie pokazane).

Ponieważ ich wektory polaryzacji zależą od kąta padania, polaryzatory oparte na odbiciu Fresnela z natury mają tendencję do wytwarzania polaryzacji sp, a nie polaryzacji kartezjańskiej, co ogranicza ich zastosowanie w niektórych zastosowaniach.

Polaryzatory dwójłomne

Inne polaryzatory liniowe wykorzystują dwójłomne właściwości kryształów, takich jak kwarc i kalcyt . W tych kryształach wiązka niespolaryzowanego światła padającego na ich powierzchnię jest rozszczepiana przez załamanie na dwa promienie. Prawo Snella obowiązuje dla obu tych promieni, zwykłego lub o- promienia i nadzwyczajnego lub e- promienia, przy czym każdy promień ma inny współczynnik załamania (nazywa się to podwójnym załamaniem). Na ogół oba promienie będą w różnych stanach polaryzacji, ale nie w stanach o polaryzacji liniowej, z wyjątkiem pewnych kierunków propagacji względem osi kryształu.

Pryzmat Nicola był wczesnym typem dwójłomności polaryzator, który składa się z kryształów kalcytu, który został podzielony, a następnie połączone z balsam kanadyjski . Kryształ jest cięty tak, że promienie o - i e - są w ortogonalnych stanach polaryzacji liniowej. Całkowite odbicie wewnętrzne o o promieni rentgenowskich występuje na powierzchni międzyfazowej balsam, ponieważ doznaje większy współczynnik załamania światła, kalcytu niż balsam, a promień jest odchylona w bok w krysztale. E -ray, co widzi mniejszy współczynnik załamania w kalcyt, jest przesyłany przez interfejs bez ugięcia. Nicol pryzmaty produkować bardzo wysokiej czystości spolaryzowanego światła i były szeroko stosowane w mikroskopii , choć w nowoczesnej użytku zostały one w większości zastąpione alternatywnymi, takimi jak pryzmat Glan-Thompson , Glan-Foucaulta pryzmat i Glan-Taylor pryzmat . Te pryzmaty nie są prawdziwymi dzielnikami polaryzacyjnymi, ponieważ tylko transmitowana wiązka jest w pełni spolaryzowana.

Pryzmat wollastona inny polaryzator dwójłomne składającą się z dwóch trójkątnych pryzmatów kalcytu z prostopadłych osi kryształu, które są mocowane ze sobą. Na styku wewnętrznym niespolaryzowana wiązka dzieli się na dwa promienie spolaryzowane liniowo, które opuszczają pryzmat pod kątem rozbieżności 15–45°. W Rochon i Sénarmont pryzmaty są podobne, ale wykorzystują różne orientacje osi optycznej w dwóch pryzmatów. Pryzmat Senarmonta jest rozłożony w powietrzu, w przeciwieństwie do pryzmatów Wollastona i Rochona. Te pryzmaty naprawdę dzielą wiązkę na dwie w pełni spolaryzowane wiązki z prostopadłymi polaryzacjami. Nomarskiego pryzmat jest wariantem pryzmat Wollaston, który jest powszechnie stosowany w różnicowej kontrastowej mikroskopii zakłóceń .

Polaryzatory cienkowarstwowe

Cienkowarstwowe polaryzatory liniowe (znane również jako TFPN) to szklane podłoża, na które nakładana jest specjalna powłoka optyczna . Odbicia kątowe Brewstera lub efekty interferencji w filmie powodują, że działają one jak polaryzatory rozdzielające wiązkę. Podłożem folii może być albo płyta, którą umieszcza się w belce pod określonym kątem, albo klin szklany, który jest przyklejany do drugiego klina w celu utworzenia sześcianu z folią przecinaną ukośnie w poprzek środka (jedna forma jest to bardzo powszechna kostka MacNeille'a). Polaryzatory cienkowarstwowe generalnie nie działają tak dobrze jak polaryzatory typu Glan, ale są niedrogie i zapewniają dwie wiązki, które są mniej więcej równie dobrze spolaryzowane. Polaryzatory sześcienne generalnie działają lepiej niż polaryzatory płytowe. Te pierwsze można łatwo pomylić z polaryzatorami dwójłomnymi typu Glana.

Polaryzatory druciane

Jednym z najprostszych polaryzatorów liniowych jest polaryzator drutowo-siatkowy (WGP), który składa się z wielu cienkich równoległych metalowych drutów umieszczonych w płaszczyźnie. WGP w większości odzwierciedlają nieprzekazywaną polaryzację i dlatego mogą być używane jako polaryzacyjne dzielniki wiązki. Absorpcja pasożytnicza jest stosunkowo wysoka w porównaniu do większości polaryzatorów dielektrycznych, choć znacznie niższa niż w polaryzatorach absorpcyjnych.

Fale elektromagnetyczne, których składowa pola elektrycznego jest ustawiona równolegle do przewodów, indukują ruch elektronów wzdłuż przewodów. Ponieważ elektrony mogą swobodnie przemieszczać się w tym kierunku, że zachowuje się polaryzator w podobny sposób do powierzchni metalu , gdy odbijania światła i zostaje odbita tyłu wzdłuż wiązki padającej (minus mała ilość energii pokonać Joule'a ogrzewania z drutu).

W przypadku fal o polach elektrycznych prostopadłych do przewodów elektrony nie mogą poruszać się bardzo daleko na szerokości każdego przewodu. W związku z tym odbijana jest niewielka ilość energii, a fala padająca jest w stanie przejść przez siatkę. W tym przypadku siatka zachowuje się jak materiał dielektryczny .

Ogólnie rzecz biorąc, powoduje to liniową polaryzację przesyłanej fali z polem elektrycznym całkowicie prostopadłym do przewodów. Hipoteza, że ​​fale „prześlizgują się” przez szczeliny między przewodami, jest błędna.

Ze względów praktycznych odległość między przewodami musi być mniejsza niż długość fali padającego promieniowania. Ponadto szerokość każdego przewodu powinna być niewielka w porównaniu z odstępami między przewodami. Dlatego, jest stosunkowo łatwy do skonstruowania polaryzatorów drutu siatki dla mikrofal , daleko podczerwieni i połowy podczerwonego promieniowania. Ponadto zaawansowane techniki litograficzne mogą również budować bardzo gęste siatki metaliczne, co pozwala na polaryzację światła widzialnego w użytecznym stopniu. Ponieważ stopień polaryzacji w niewielkim stopniu zależy od długości fali i kąta padania, są one używane do zastosowań szerokopasmowych, takich jak projekcja.

Rozwiązania analityczne wykorzystujące rygorystyczną analizę fali sprzężonej dla polaryzatorów z siatką drucianą wykazały, że dla składowych pola elektrycznego prostopadłych do przewodów ośrodek zachowuje się jak dielektryk, a dla składowych pola elektrycznego równoległych do przewodów ośrodek zachowuje się jak metal (odbijający) .

Prawo Malusa i inne właściwości

Prawo Malusa gdzie θ 1θ 0 = θ i .
Demonstracja Prawa Malusa. Żadne światło nie może przejść przez parę skrzyżowanych filtrów polaryzacyjnych, ale kiedy trzeci filtr zostanie włożony między nie, a jego oś nie jest równoległa do żadnego z nich, część światła może przejść.

Prawo Malus w ( / m ə l ù s / ), który pochodzi od Etienne-Louis Malus mówi, że gdy idealne polaryzator jest umieszczony w spolaryzowaną wiązkę światła, promieniowania , I , światło, które przechodzi przez podaje za pomocą

gdzie I 0 to początkowe natężenie, a θ i to kąt pomiędzy początkowym kierunkiem polaryzacji światła a osią polaryzatora.

Wiązka niespolaryzowanego światła może być traktowana jako zawierająca jednorodną mieszaninę polaryzacji liniowych pod wszystkimi możliwymi kątami. Ponieważ średnia wartość wynosi 1/2, współczynnik transmisji wynosi

W praktyce część światła jest tracona w polaryzatorze, a rzeczywista transmisja będzie nieco niższa, około 38% dla polaryzatorów typu Polaroid, ale znacznie wyższa (>49,9%) dla niektórych typów pryzmatów dwójłomnych.

Jeżeli dwa polaryzatory są umieszczone jeden za drugim (drugi polaryzator jest ogólnie nazywany analizatorem ), wzajemny kąt między ich osiami polaryzacyjnymi daje wartość θ w prawie Malusa. Jeśli obie osie są ortogonalne, polaryzatory są skrzyżowane i teoretycznie żadne światło nie jest przepuszczane, chociaż praktycznie rzecz biorąc żaden polaryzator nie jest doskonały, a transmisja nie jest dokładnie zerowa (na przykład skrzyżowane arkusze Polaroidów mają lekko niebieski kolor). Jeśli przezroczysty obiekt zostanie umieszczony pomiędzy skrzyżowanymi polaryzatorami, wszelkie efekty polaryzacji obecne w próbce (takie jak dwójłomność) zostaną pokazane jako wzrost transmisji. Efekt ten jest wykorzystywany w polarymetrii do pomiaru aktywności optycznej próbki.

Prawdziwe polaryzatory również nie są idealnymi blokerami polaryzacji ortogonalnej do ich osi polaryzacji; stosunek przekazywania niepożądanego składnika do składnika chciał zwany współczynnik ekstynkcji , i zmienia się od około 1: 500 do około 1:10 Polaroid 6 do Glan-Taylor pryzmatów polaryzatorami.

Na zdjęciu rentgenowskim prawo Malusa ( forma relatywistyczna ):

gdzie – częstotliwość spolaryzowanego promieniowania padającego na polaryzator, – częstotliwość promieniowania przechodzącego przez polaryzator, – Comptonowa długość fali elektronu, – prędkość światła w próżni.

Polaryzatory kołowe

Polaryzatory kołowe ( CPL lub kołowe filtry polaryzacyjne ) mogą być używane do tworzenia światła spolaryzowanego kołowo lub alternatywnie do selektywnego pochłaniania lub przepuszczania światła spolaryzowanego kołowo zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara . Są używane jako filtry polaryzacyjne w fotografii w celu zmniejszenia ukośnych odbić od powierzchni niemetalicznych i są soczewkami okularów 3D noszonych do oglądania niektórych filmów stereoskopowych (zwłaszcza odmiany RealD 3D ), w których polaryzacja światła jest używana do rozróżnienia jaki obraz powinien widzieć lewe i prawe oko.

Tworzenie kołowo spolaryzowanego światła

Obraz jest dobrze opisany w artykule
Polaryzator kołowy wytwarzający światło spolaryzowane kołowo w lewo. Jest uważany za leworęczny widziany z odbiornika i praworęczny widziany ze źródła.

Istnieje kilka sposobów na wytworzenie światła spolaryzowanego kołowo, najtańszy i najczęstszy polega na umieszczeniu ćwierćfalówki za polaryzatorem liniowym i skierowaniu niespolaryzowanego światła przez polaryzator liniowy. Światło spolaryzowane liniowo opuszczające polaryzator liniowy jest przekształcane w światło spolaryzowane kołowo przez ćwierćfalówkę. Oś transmisji polaryzatora liniowego musi znajdować się w połowie drogi (45°) między szybką i wolną osią ćwierćfalówki.

W powyższym układzie oś transmisji polaryzatora liniowego znajduje się pod dodatnim kątem 45° w stosunku do prawej linii poziomej i jest przedstawiona pomarańczową linią. Ćwierćfalówka ma poziomą oś powolną i pionową oś szybką, a także są one reprezentowane za pomocą pomarańczowych linii. W tym przypadku niespolaryzowane światło wpadające do polaryzatora liniowego jest wyświetlane jako pojedyncza fala, której amplituda i kąt polaryzacji liniowej nagle się zmieniają.

Kiedy próbuje się przepuścić niespolaryzowane światło przez polaryzator liniowy, tylko światło, które ma swoje pole elektryczne pod dodatnim kątem 45° opuszcza polaryzator liniowy i wchodzi do ćwierćfalówki. Na ilustracji przedstawione trzy długości fal niespolaryzowanego światła zostaną przekształcone w trzy długości fali liniowo spolaryzowanego światła po drugiej stronie polaryzatora liniowego.

Trzy pionowe fale grzechu
Światło spolaryzowane liniowo , reprezentowane za pomocą komponentów, wchodzące do ćwierćfalówki . Krzywe niebieska i zielona są rzutami czerwonej linii odpowiednio na płaszczyznę pionową i poziomą.

Na ilustracji po prawej stronie przedstawiono pole elektryczne liniowo spolaryzowanego światła tuż przed wejściem do ćwierćfalówki. Czerwona linia i związane z nią wektory pola pokazują, jak wielkość i kierunek pola elektrycznego zmienia się wzdłuż kierunku jazdy. W przypadku tej płaskiej fali elektromagnetycznej każdy wektor reprezentuje wielkość i kierunek pola elektrycznego dla całej płaszczyzny prostopadłej do kierunku jazdy. (Odnieś się do tych dwóch obrazów w artykule o fali płaskiej, aby lepiej to docenić.)

Światło i wszystkie inne fale elektromagnetyczne mają pole magnetyczne, które jest w fazie i prostopadle do pola elektrycznego pokazanego na tych ilustracjach.

Aby zrozumieć wpływ ćwierćfalówki na liniowo spolaryzowane światło, warto pomyśleć o tym, że światło jest podzielone na dwie składowe, które są względem siebie pod kątem prostym ( prostokątnym ). W tym celu niebieskie i zielone linie są rzutami czerwonej linii odpowiednio na płaszczyznę pionową i poziomą i przedstawiają, jak zmienia się pole elektryczne w kierunku tych dwóch płaszczyzn. Oba składniki mają tę samą amplitudę i są w fazie.

Ponieważ ćwierćfalówka jest wykonana z materiału dwójłomnego , w płytce falowej światło przemieszcza się z różnymi prędkościami w zależności od kierunku jego pola elektrycznego. Oznacza to, że składowa pozioma, która znajduje się wzdłuż wolnej osi płyty falistej, będzie przemieszczać się z mniejszą prędkością niż składowa skierowana wzdłuż szybkiej osi pionowej. Początkowo te dwie składowe są w fazie, ale gdy obie składowe przechodzą przez płytę falową, pozioma składowa światła dryfuje dalej za pionową. Regulując grubość płytki falowej, można kontrolować, jak bardzo składowa pozioma jest opóźniona w stosunku do składowej pionowej, zanim światło opuści płytkę falową i ponownie zaczną podróżować z tą samą prędkością. Gdy światło opuści ćwierćfalówkę, składnik poziomy w prawo będzie znajdować się dokładnie w jednej czwartej długości fali za składową pionową, dzięki czemu światło będzie spolaryzowane kołowo w lewo, patrząc od odbiornika.

Górny obraz jest spolaryzowany kołowo w lewo/przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, patrząc od odbiornika. Dolny obraz przedstawia światło spolaryzowane liniowo . Krzywe niebieska i zielona są rzutami czerwonych linii odpowiednio na płaszczyznę pionową i poziomą.

W górnej części ilustracji po prawej stronie znajduje się światło spolaryzowane kołowo po opuszczeniu płytki falowej. Bezpośrednio pod nim, dla celów porównawczych, znajduje się liniowo spolaryzowane światło, które wpadło do ćwierćfalówki. Na górnym obrazku, ponieważ jest to fala płaska, każdy wektor prowadzący od osi do helisy reprezentuje wielkość i kierunek pola elektrycznego dla całej płaszczyzny prostopadłej do kierunku jazdy. Wszystkie wektory pola elektrycznego mają tę samą wielkość, co wskazuje, że siła pola elektrycznego nie zmienia się. Jednak kierunek pola elektrycznego stale się obraca.

Niebieskie i zielone linie są rzutami spirali odpowiednio na płaszczyznę pionową i poziomą i przedstawiają, jak zmienia się pole elektryczne w kierunku tych dwóch płaszczyzn. Zauważ, że prawy składnik poziomy jest teraz jedną czwartą długości fali za pionową składową. To właśnie ta ćwiartka przesunięcia fazowego długości fali powoduje rotacyjny charakter pola elektrycznego. Należy zauważyć, że gdy wartość jednego składnika jest maksymalna, wartość drugiego składnika jest zawsze równa zeru. To jest powód, dla którego istnieją wektory helisy, które dokładnie odpowiadają maksimom dwóch składowych.

Animacja światła spolaryzowanego kołowo w lewo/przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. (Leworęczny patrząc od odbiornika.)

W przytoczonym przypadku, wykorzystując konwencję ręczności stosowaną w wielu podręcznikach optyki, światło jest uważane za spolaryzowane kołowo w lewo/przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Nawiązując do towarzyszącej animacji, uważa się ją za leworęczną, ponieważ jeśli skieruje się lewy kciuk w kierunku przeciwnym do kierunku jazdy, palce zwijają się w kierunku, w którym obraca się pole elektryczne, gdy fala przechodzi przez dany punkt w przestrzeni. Helisa tworzy również lewoskrętną helisę w przestrzeni. Podobnie to światło jest uważane za spolaryzowane kołowo w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, ponieważ jeśli nieruchomy obserwator zwrócony jest w kierunku przeciwnym do kierunku podróży, osoba będzie obserwować, jak jego pole elektryczne obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, gdy fala przechodzi przez dany punkt w przestrzeni.

Aby stworzyć prawoskrętne światło spolaryzowane kołowo zgodnie z ruchem wskazówek zegara, wystarczy obrócić oś ćwierćfalówki o 90° względem polaryzatora liniowego. Powoduje to odwrócenie szybkiej i wolnej osi płyty falistej w stosunku do osi transmisji polaryzatora liniowego, odwracając, który komponent wyprzedza, a który opóźnia.

Próbując docenić, w jaki sposób ćwierćfalówka przekształca liniowo spolaryzowane światło, ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że dwa omawiane komponenty nie są bytami samymi w sobie, ale są jedynie konstruktami mentalnymi, których używa się, aby pomóc docenić to, co się dzieje. W przypadku światła spolaryzowanego liniowo i kołowo, w każdym punkcie przestrzeni zawsze występuje pojedyncze pole elektryczne o odrębnym kierunku wektora, ćwierćfalówka ma jedynie wpływ na przekształcenie tego pojedynczego pola elektrycznego.

Pochłanianie i przepuszczanie światła spolaryzowanego kołowo

Polaryzatory kołowe mogą być również używane do selektywnego pochłaniania lub przepuszczania prawoskrętnego lub lewoskrętnego światła spolaryzowanego kołowo. To właśnie ta funkcja jest wykorzystywana przez okulary 3D w kinach stereoskopowych, takich jak RealD Cinema . Dany polaryzator, który tworzy jedną z dwóch polaryzacji światła, przejdzie przez tę samą polaryzację światła, gdy światło zostanie przez niego przesłane w innym kierunku. Natomiast zablokuje światło o przeciwnej polaryzacji.

Polaryzator kołowy przepuszczający światło spolaryzowane kołowo w lewo, w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. (Leworęczny patrząc od odbiornika.)

Powyższa ilustracja jest identyczna z poprzednią podobną, z wyjątkiem tego, że lewoskrętne światło spolaryzowane kołowo zbliża się teraz do polaryzatora z przeciwnego kierunku, a światło spolaryzowane liniowo wychodzi z polaryzatora w prawo.

Najpierw zauważ, że ćwierćfalówka zawsze przekształca światło spolaryzowane kołowo w światło spolaryzowane liniowo. Jedynie wynikowy kąt polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo jest określany przez orientację szybkiej i wolnej osi ćwierćfalówki oraz kierunek światła spolaryzowanego kołowo. Na ilustracji światło spolaryzowane kołowo w lewo wchodzące do polaryzatora jest przekształcane w światło spolaryzowane liniowo, które ma kierunek polaryzacji wzdłuż osi transmisji polaryzatora liniowego i dlatego przechodzi. W przeciwieństwie do tego prawoskrętne światło spolaryzowane kołowo zostałoby przekształcone w światło spolaryzowane liniowo, które miałoby kierunek polaryzacji wzdłuż osi pochłaniania polaryzatora liniowego, która jest pod kątem prostym do osi transmisji, a zatem zostałoby zablokowane.

Światło spolaryzowane kołowo w lewo/w lewo wyświetlane nad światłem spolaryzowanym liniowo . Krzywe niebieska i zielona są rzutami spirali odpowiednio na płaszczyznę pionową i poziomą.

Aby zrozumieć ten proces, zapoznaj się z ilustracją po prawej stronie. Jest to absolutnie identyczne z poprzednią ilustracją, mimo że kołowo spolaryzowane światło na górze jest teraz uważane za zbliżające się do polaryzatora z lewej strony. Na ilustracji widać, że składnik poziomy w lewo (patrząc wzdłuż kierunku jazdy) prowadzi składową pionową i że gdy składowa pozioma jest opóźniona o jedną czwartą długości fali, zostanie przekształcona w przedstawione światło liniowo spolaryzowane na dole i przejdzie przez polaryzator liniowy.

Istnieje stosunkowo prosty sposób, aby docenić, dlaczego polaryzator, który wytwarza daną kierunkowość światła spolaryzowanego kołowo, również przechodzi tę samą kierunkowość światła spolaryzowanego. Po pierwsze, biorąc pod uwagę podwójną użyteczność tego obrazu, zacznij od wyobrażenia sobie, że światło spolaryzowane kołowo u góry nadal opuszcza ćwierćfalówkę i porusza się w lewo. Zauważ, że gdyby pozioma składowa liniowo spolaryzowanego światła została dwukrotnie opóźniona o ćwierć długości fali, co równałoby się pełnej połowie długości fali, rezultatem byłoby liniowo spolaryzowane światło, które było pod kątem prostym do światła, które weszło. Gdyby takie ortogonalnie spolaryzowane światło zostało obrócone w płaszczyźnie poziomej i skierowane z powrotem przez sekcję polaryzatora liniowego polaryzatora kołowego, przeszłoby ono wyraźnie przez swoją orientację. Teraz wyobraź sobie światło spolaryzowane kołowo, które już raz przeszło przez ćwierćfalówkę, odwróciło się i ponownie skierowało w stronę polaryzatora kołowego. Niech kołowo spolaryzowane światło pokazane na górze reprezentuje teraz to światło. Takie światło przeleci przez ćwierćfalówkę po raz drugi, zanim dotrze do polaryzatora liniowego, a tym samym jego składowa pozioma zostanie po raz drugi opóźniona o jedną czwartą długości fali. Niezależnie od tego, czy ta składowa pozioma jest opóźniona o jedną czwartą długości fali w dwóch odrębnych krokach, czy opóźniona o pełną połowę długości fali na raz, orientacja wynikowego liniowo spolaryzowanego światła będzie taka, że ​​przejdzie przez polaryzator liniowy.

Gdyby było to światło prawoskrętne, spolaryzowane kołowo zgodnie z ruchem wskazówek zegara, zbliżające się do polaryzatora kołowego z lewej strony, jego składowa pozioma również zostałaby opóźniona, jednak powstałe światło spolaryzowane liniowo byłoby spolaryzowane wzdłuż osi absorbującej polaryzatora liniowego i nie byłoby mineły.

Aby stworzyć polaryzator kołowy, który zamiast tego przepuszcza światło spolaryzowane prawoskrętnie i pochłania światło lewoskrętne, ponownie obraca się płytkę falową i polaryzator liniowy o 90° względem siebie. Łatwo zauważyć, że odwracając położenie osi nadawania i pochłaniania polaryzatora liniowego względem ćwierćfalówki, zmienia się kierunek przepuszczania i pochłaniania światła spolaryzowanego.

Jednorodny polaryzator kołowy

Jednorodny polaryzator kołowy przepuszczający światło spolaryzowane kołowo w lewo, w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. (Leworęczny patrząc od odbiornika.)

Jednorodny polaryzator kołowy przechodzi niezmienioną jedną stronę polaryzacji kołowej i blokuje drugą stronę. Jest to podobne do sposobu, w jaki polaryzator liniowy w pełni przepuszczałby jeden kąt liniowo spolaryzowanego światła w stanie niezmienionym, ale całkowicie blokowałby każde liniowo spolaryzowane światło, które było do niego prostopadłe.

Jednorodny polaryzator kołowy można utworzyć przez umieszczenie polaryzatora liniowego między dwiema płytkami ćwierćfalowymi. W szczególności bierzemy opisany wcześniej polaryzator kołowy, który przekształca światło spolaryzowane kołowo w światło spolaryzowane liniowo i dodajemy do niego drugą ćwierćfalówkę obróconą o 90° względem pierwszej.

Mówiąc ogólnie, i nie odnosząc się bezpośrednio do powyższej ilustracji, gdy jedna z dwóch polaryzacji spolaryzowanego kołowo światła wchodzi do pierwszej ćwierćfalówki, jeden z pary elementów ortogonalnych jest opóźniony o jedną czwartą długości fali w stosunku do drugiej . Tworzy to jedną z dwóch polaryzacji liniowych w zależności od orientacji światła spolaryzowanego kołowo. Polaryzator liniowy umieszczony pomiędzy ćwierćfalami jest zorientowany tak, że przejdzie przez jedną polaryzację liniową i zablokuje drugą. Druga ćwierćfalówka następnie pobiera liniowo spolaryzowane światło, które przechodzi i opóźnia składową ortogonalną, która nie została opóźniona przez poprzednią ćwierćfalówkę. Sprowadza to dwa składniki z powrotem do ich początkowej zależności fazowej, przywracając wybraną polaryzację kołową.

Zauważ, że nie ma znaczenia, w którym kierunku przechodzi się kołowo spolaryzowane światło.

Filtry polaryzacyjne kołowe i liniowe do fotografii

Liniowe filtry polaryzacyjne były pierwszymi typami stosowanymi w fotografii i nadal mogą być używane w bezrefleksyjnych i starszych lustrzankach jednoobiektywowych (SLR). Jednak aparaty z pomiarem przez obiektyw (TTL) i systemami autofokusa – czyli wszystkie nowoczesne lustrzanki i lustrzanki cyfrowe – opierają się na elementach optycznych, które przepuszczają światło spolaryzowane liniowo. Jeśli światło wpadające do aparatu jest już spolaryzowane liniowo, może zakłócić działanie systemów ekspozycji lub autofokusa. Okrągłe filtry polaryzacyjne odcinają światło spolaryzowane liniowo, dzięki czemu mogą być używane do przyciemniania nieba, poprawy nasycenia i usuwania odbić, ale światło spolaryzowane kołowo, które przepuszcza, nie wpływa negatywnie na systemy soczewek.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Kliger, David S. Światło spolaryzowane w optyce i spektroskopii , Academic Press (1990), ISBN  0-12-414975-8
  • Mann, James. „Austine Wood Comarow: obrazy w świetle spolaryzowanym”, Wasabi Publishing (2005), ISBN  978-0976819806

Linki zewnętrzne