Поляризаторы видимого света

                       Содержание

1.  Введение (2-6)

2. Поляризаторы  (7)

3. Поляризационные призмы   (8-14)

4. Двоякопреломляющие призмы   (15)

5. Дихроичные поляризаторы  (16)

6. Поляроид  (17-18)

7.  Заключение (19)

1. 8. Список литературы  (20) 
   ВВЕДЕДНИЕ

Видимый свет - это узкий диапазон электромагнитного излучения с длинами волн от 400 нм до 750 нм. В электромагнитной волне вектора напряжённости электрического поля E и напряжённости магнитного поля Н перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, поэтому очень часто в поясняющих рисунках оставляют только вектор E, перпендикулярный вектор H подразумевается. Во всех процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет вектор напряжённости электрического поля E, поэтому его называют световым вектором. Неполяризованный свет или естественный свет, испускаемый обычными источниками (например, солнечный свет, излучение ламп накаливания и т. п.), состоит из огромного числа волн, колеблющихся с различной частотой, с различной амплитудой и с различной ориентацией светового вектора. Распределение светового вектора E по углам симметрично относительно направления распространения волны. Схематично естественный свет можно представить рисунком .

Частично поляризованный свет - то же, что и естественный, но распределение светового вектора E по углам несимметрично. Частично поляризованный свет характеризуется такой величиной, как степень поляризации - отношением E max к E min.  Для естественно поляризованного света степень поляризации равна единице

Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, такую волну называют линейно-поляризованной или плоско-поляризованной. Плоскость, в которой колеблется световой вектор называется плоскостью колебаний, а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор - плоскостью поляризации. Линейно поляризованного света в природе не существует. Это - математическая абстракция. Говоря о линейно поляризованном свете, в действительности имеют в виду частично поляризованный свет с высокой степенью поляризации, то есть когда нелинейные составляющие пренебрежимо малы. Границу пренебрежения устанавливают в зависимости от решаемой задачи. Если вдоль одного и того же направления распространяются две монохроматические волны, поляризованные в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, то в результате их сложения в общем случае возникает эллиптически-поляризованная волна. В эллиптически-поляризованной волне в любой плоскости P, перпендикулярной направлению распространения волны (в данном случае эта плоскость = xy), конец результирующего вектора за один период светового колебания обегает эллипс, который называется эллипсом поляризации. Форма и размер эллипса поляризации определяются амплитудами ax и ay линейно-поляризованных волн и фазовым сдвигом Δφ между ними. Стоит отметить, что по знаку фазового сдвига различают левую и правую поляризацию. Частным случаем эллиптически-поляризованной волны является волна с круговой поляризацией (ax = ay, Δφ = ± π / 2).

Вектора напряжённости электрического поля E и напряжённости магнитного поля H перпендикулярны между собой и по отношению к направлению распространению света. Физическая характеристика оптического излучения, описывающая поперечную анизотропию световых волн, называется поляризацией света. Поскольку векторы Eи H электромагнитной волны перпендикулярны друг другу, для полного описания состояния поляризации светового пучка требуется знание поведения лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирается вектор E.

Свет, испускаемый каким-либо атомом или молекулой, всегда поляризован. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа таких частиц-излучателей. При этом пространственные ориентации векторов Е и моменты актов испускания света отдельными частицами в большинстве случаев распределены хаотически. Поэтому в общем излучении направление Е в каждый момент времени непредсказуемо. Подобное излучение называется неполяризованным, или естественным светом. Свет называется полностью поляризованным, если две взаимно перпендикулярные компоненты (проекции) вектора E светового пучка совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз. Обычно состояние поляризации света изображается с помощью эллипса поляризации – проекции траектории конца вектора на плоскость, перпендикулярную лучу. Проекционная картина полностью поляризованного света в общем в случае имеет вид эллипса с правым или левым направлением вращения вектора E во времени. Такой свет называется эллиптически поляризованным. Наибольший интерес представляют предельные случаи эллиптической поляризации – линейная (плоская) электромагнитная волна, когда эллипс поляризации вырождается в отрезок прямой линии, определяющий положение плоскости поляризации, и циркулярная (или круговая), когда эллипс поляризации представляет собой окружность. В первом случае свет называется линейно поляризованным, а во втором – право- или лево- циркулярно поляризованным в зависимости от направления вращения вектора E. На анимации показана линейно поляризованная электромагнитная волна (выделено синим) и волна круговой поляризации (выделено красным).Если фазовое соотношение между компонентами вектора E изменяется за времена существенно меньшие времени измерения состояния поляризации, то свет проявляется как не полностью поляризованный. Состояние поляризации частично поляризованного света описывается параметром степени поляризации, отражающим степень преимуществ. фазового сдвига (фазовой корреляции) между компонентами вектора E световой волны. Если этот фазовый сдвиг равен нулю, то свет обнаруживает преимущественную плоскость колебаний вектора E и называется частично линейно поляризованным, если же этот фазовый сдвиг равен p/2, то свет обнаруживает преимущественное направление вращения вектора E и называется частично циркулярно поляризованным. Естественный свет не обнаруживает фазовой корреляции между компонентами вектора E, разность фаз между ними непрерывно хаотически меняется. Параметр степени поляризации света, определяемый как отношение разности интенсивностей двух выделенных ортогональных состояний поляризации к их сумме, может меняться в диапазоне от 0 до 100%. Следует отметить, что свет, проявляющийся в одних случаях как неполяризованный, в других может оказаться полностью поляризованным с меняющимся во времени, по сечению пучка или по спектру состоянием поляризации. Явление поляризации света и особенности взаимодействия поляризованного света с веществом нашли исключительно широкое применение в научных исследованиях кристаллохимической и магнитной структуры твёрдых тел, оптические свойства кристаллов, природы состояний, ответственных за оптические переходы, структуры биологических объектов, характера поведения газообразных, жидких и твёрдых тел в полях анизотропных возмущений (электрическом, магнитном, световом и пр.), а также для получения информации о труднодоступных объектах (в частности, в астрофизике). Поляризованный свет широко используется во многих областях техники, напр. при необходимости плавной регулировки интенсивности светового пучка (закон Малюса), при исследованиях напряжений в прозрачных средах (поляризационно-оптический метод исследования), для увеличения контраста и ликвидации световых бликов в фотографии, при создании светофильтров, модуляторов излучения и пр. Линейно поляризованный свет можно наблюдать, например, в излучении лазера. Другой способ получения линейно поляризованного света состоит в пропускании естественного света через поляроид (поляризационный светофильтр), который свободно пропускает компоненту света, поляризованную вдоль выделенного направления, и полностью поглощает свет с перпендикулярной поляризацией. Если на такой поляроид падает линейно поляризованная волна, то интенсивность I прошедшего света будет зависеть от угла a между направлением поляризации падающего света и выделенным направлением самого поляроида следующим образом (закон Малюса):

I = I0cos2a

Анимация показывает эксперимент прохождения линейно поляризованного света гелий-неонового лазера через вращающийся поляроид. Когда направление выделенной оси поляроида совпадает с направлением поляризации падающего света, на экране за поляроидом видно пятно с максимальной интенсивностью. Когда эти направления перпендикулярны, свет полностью поглощается поляроидом, и световое пятно на экране отсутствует.

Эллипсометрия - совокупность методов изучения поверхностей жидких и твёрдых тел тел по состоянию поляризации светового пучка, отражённого этой поверхностью и преломлённого на ней. Падающий на поверхность плоско поляризованный свет приобретает при отражении и преломлении эллиптическую поляризацию вследствие наличия тонкого переходного слоя на границе раздела сред. Зависимость между оптическими постоянными слоя и параметрами эллиптически поляризованного света устанавливается на основании Френеля формул. На принципах эллипсометрии построены методы чувствительных бесконтактных исследований поверхности жидкости или твёрдых веществ, процессов адсорбции, коррозии и др. В качестве источника света в эллипсометрии используется монохроматическое излучение зелёной линии ртути, а в последнее время – лазерное излучение, что даёт возможность исследовать микронеоднородности на поверхности изучаемого объекта. Получило развитие также новое направление спектральной эллипсометрии в широком интервале длин волн, существенное при исследованиях атомного состава неоднородных и анизотропных поверхностей и плёнок. На анимации показано две линейные волны падающие на подложку с образцом. Одна волна, отражённая от подложки не испытывает изменение состояния поляризации и отражается также в виде линейно поляризованной волны. Другая волна, отражённая от образца, меняет поляризацию на круговую.Микроскопия с использованием принципов эллипсометрии проиллюстрирована на следующей анимации. Излучение лазерного источника (слева на анимации, отмечено красным) проходит сначала через поляризатор (отмечено зелёным), а затем через двулучепреломляющу пластинку (отмечено на анимации синим), которая из волны линейной поляризации формирует эллиптически поляризованную волну. Отражаясь от образца свет изменяет состояние поляризации и превращается в линейно поляризованную волну. Объектив собирает свет, отражённый от образца и через анализатор (по сути тот же поляризатор, отмечен зелёным) подаёт этот свет на фотоприёмную матрицу. Анализатор сориентирован так, что задерживает свет линейной поляризации, отражённый от образца, в то время как значительная часть света эллиптической поляризации, отражённого от подложки, проходит на фотоприемное устройство. В результате образец становится видимым на фоне подложки в виде тёмного пятна. Изменяя взаимную ориентацию поляризатора, анализатора и двулучепреломляющей пластинки можно получать позитивное изображение исследуемого объекта, его негативное изображение, а также все промежуточные состояния, подбирая при котором из них контраст объекта будет максимальным.

2. ПОЛЯРИЗАТОРЫ

Существует несколько способов непосредственного получения поляризованного света. Эти способы основаны на использовании поляризованной флюоресценции, скользящего выхода лучей и пр. Когерентный поляризованный свет излучается лазерами. На практике такие методы применяются мало. Обычно для получения поляризованного света естественное излучение какого-либо источника пропускают через поляризатор. 
Действие поляризатора состоит в том, что он разделяет первоначальный пучок на две компоненты со взаимно перпендикулярными направлениями поляризации, пропускает одну компоненту и поглощает или отклоняет другую. Таким образом, теоретически пропускание поляризатора может составлять 50%. Практически пропускаемая компонента также частично поглощается материалом поляризатора, в результате чего пропускание несколько снижается. Осуществление процесса поляризации возможно за счет разных физических явлений: дихроизма, двойного лучепреломления отражения, рассеяния. Наиболее распространены дихроичные поляризаторы, но используются и двоякопреломляющие. Поляризаторы, основанные на отражении и рассеянии, применяют в исключительных случаях. Принцип работы двоякопреломляющих поляризаторов основан на разделении первоначального пучка на две компоненты, поляризованные во взаимно перпендикулярных направлениях. Одна из них устраняется с помощью специального устройства. В основе работы поляризационных приспособлений, служащих для получения поляризованного света, лежит явление двойного лучепреломления. Наиболее часто для этого применяются призмы и поляроиды. Призмы делятся на два класса:1) призмы, дающие только плоско поляризованный луч (поляризационные призмы);2) призмы, дающие два поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луга (двоякопреломляющие призмы).3.Двоякопреломляющий поляризатор. Типичный двоякопреломляющий поляризатор состоит из двух склеенных вместе призм из исландского шпата. Такая комбинация разделяет падающий пучок на две компоненты. Одна из них проходит полностью, другая отражается в сторону зачерненной поверхности призмы, поглощающей падающий на нее свет. Наиболее известна призма, изобретенная еще в прошлом веке Николем. Она все еще применяется в отдельных случаях. Недостатками двоякопреломляющих поляризаторов являются малая линейная и угловая апертура, большая толщина и масса, неудобная прямоугольная форма сечения. К тому же они довольно дороги. Поэтому обычно их заменяют поляроидами. Однако в некоторых случаях, например для ультрафиолетового излучения, двоякопреломляющие поляризаторы продолжают оставаться незаменимыми.

3.ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ПРИЗМЫ

Поляризаторы обычно изготавливают из кристаллов, имеющих необычные оптические свойства, а именно - двойное лучепреломление (когда вошедший в такой кристалл луч света преломляется, то помимо преломленного обыкновенного луча, появляется еще и так называемый необыкновенный луч. Такое поведение луча света обусловлено именно особым строением некоторых кристаллов, н.п. исландского шпата или кварца) [1]. Разумеется, сами по себе кристаллы не используются в качестве поляризаторов. Из них изготавливают призмы и соединяя их в различные комбинации в зависимости от поставленной задачи, используют как поляризаторы - устройства, пропускающие свет в одном направлении, и не пропускающие в другом (в направлении, перпендикулярном направлению оптической оси кристалла).

Поляризатор характеризуется  такими величинами: 
1) поляризующая способность (степень поляризации, которую создавал бы поляризатор, если бы падающий луч был неполяризован). 
2) два главных пропускания: k1 - когда отношение Iпрошедш / Iпад максимально, где I -интенсивность прошедшей и соответственно падающей волны, и k2 - когда оно минимально. Считается очень хорошими показатели k1=1 и k2= 0.

 
Приведем несколько примеров таких двупреломляющих поляризаторов. Конечно, существует много различных вариантов комбинаций призм, которые конструируются под конкретные задачи, но можно сказать, что описанных выше призм для ознакомления достаточно [1, 4]. 
 
1) Призма Аренса 
Была придумана в 1886 г. и состоит из 3-х призм исландского шпата. 
Р=0,99999, где Р - поляризующая способность. Особенность: имеет большой рабочий интервал углов, высокая линейная апертура (относительно длины). Используется в поляризационных микроскопах.

2) Призма Волластона 
Особенность: на выходе получаем два ортогонально поляризованных пучка.  
А именно: падающий луч делится призмой на две поляризованные компоненты и обе пропускает в разные стороны. Применяется в астрономии.

 
3) Призма Глана-Фуко 
Особенность: состоит из двух призм, отделенных друг от друга воздушным зазором. Оптические оси перпендикулярны падающему пучку 
света и верхней грани. Применяется для ультрафиолетового, инфракрасного и видимого диапазонов.

 
4) Призма Тейлора - модифицированная призма Глана-Фуко. 
Оптические оси обеих призм параллельны верхней грани и той, которая является входной.

 
5) Призма Николя 
Это скорее классический пример, о котором стоит упомянуть, но рассматривать подробнее не будем, так как призма Николя уже не используется, в виду наличия более эффективных устройств

Поляризационные призмы-    один из классов призм оптических приборов. Поляризационные призмы служат линейными поляризаторами — с их помощью получают линейно поляризованное оптическое излучение .Обычно поляризационные призмы состоят из 2 или более трёхгранных призм, по меньшей мере одна из которых вырезается из оптически анизотропного кристалла. Конструктивно поляризационные призмы выполняют так, что проходящее через них излучение должно преодолеть наклонную границу раздела 2 сред, на которой условия преломления света для компонент светового пучка, поляризованных в 2 взаимно перпендикулярных плоскостях, резко различаются. В частности, для одной из этих компонент на границе раздела могут выполняться условия полного внутреннего отражения в результате чего через поляризационные призмы проходят лишь другие компоненты. Например, широко распространённые поляризационные призмы Николя (часто называют просто николями) и Фуко, в которых пропускается необыкновенный луч , а отсекается — поглощается или выводится в сторону — обыкновенный луч . Подобные поляризационные призмы называют однолучевыми. Двухлучевые поляризационные призмы пропускают обе взаимно-перпендикулярно линейно поляризованные компоненты исходного пучка, пространственно разделяя их. Чаще всего поляризационные призмы изготовляют из исландского шпата СаСОз, прозрачного в диапазоне длин волн λ = 0,2—2 мкм, и кристаллического кварца SiO2, прозрачного при λ = 0,185—3,5 мкм.