Принцип работы поляризатора кратко

Обновлено: 02.07.2024

Поляризация света возникает при отражении или проникновении сквозь кристаллические вещества. Плоскость поляризации отраженного светового луча совпадает с плоскостью падения луча, а колебание волны происходит в перпендикулярной плоскости. Прибор, с помощью которого получают поляризованный свет, называется поляризатором.

В петрографическом микроскопе поляризатор изготовлен из кристалла прозрачного кальцита (исландского шпата) или поляроида. Такой поляризатор был изробретен У.Н.Николем и в его честь он был назван призмой Николя или николем. Такие поляризаторы основаны на свойствах анизотропных кристаллов поляризовать проходящий через них свет.

Поляризатор изготавливается из прозрачного кристалла кальцита следующим образом. Кристалл кальцита делится на две части по его короткой диагонали под углом 90 0 к одной из граней. Затем их приклевают друг к другу канадским бальзамом (рисунок 1.2). Показатель преломления канадского бальзама 1,537.

Луч естественного света, попадая на поляризатор, делится кристаллом кальцита на два луча, имеющие взаимно перпендикулярные плоскости колебания. Плоскость колебания луча S₀ перпендикулярна плоскости чертежа и показатель преломления минерала в этой плоскости для этого луча 1,658. Плоскость колебания луча S_е совпадает с плоскостью чертежа и показатель преломления минерала в этой плоскости 1,536. Так как луч S₀, имея показатель преломления большее, чем у бальзама, и угол падения больше предельного угла, то, достигнув поверхности разреза, полностью отражается (см. 2 параграф). Отраженный луч полностью поглощается черным (металлическим) оправой николя.

Луч S_е проходит сквозь бальзам, не претерпев никаких изменений, так как показатель преломления одинаковый с показателем преломления бальзама. После выхода из николя луч S_е колеблется в плоскости, которую приобрел в кристалле кальцита. Таким образом, происходит поляризация световой волны призмой Николя.

В петрографическом микроскопе таких николей два. Нижний николь называютполяризатором, используют его для получения поляризованного света. Верхний называют анализатором, используют его для проверки поляризации света. Устройство поляризатора и анализатора одинаковое, разница только в их предназначении.

Для получения поляризованного света также используются другие призмы, к примеру, призмы Пренса, Глана, Празмовского и других. Принцип получения поляризованного света в них похож на призмы Николя.

В современных микроскопах используются поляроиды. Поляроиды изготавливаются из поливиниловых пластинок. На его поверхность наклеивают очень тонкие параллельные между собой кристаллы. Используют поляризующие свойства кристаллов, один из поляризованных лучей проходит через кристалл, второй полностью поглощается. Поляроиды гораздо дешевле призм, к тому же их можно изготовить любых размеров. Поэтому в технике сейчас используются, в основном, поляроиды.

Рисунок 1.2 – Ход света в призме Николя

Сейчас большинство производителей указывает направление главной оси на корпусе поляризационной оптики. В случае отсутствия маркировки определить направление оси также нетрудно. Пусть падающий пучок смешанной поляризации под углом падает на отражающую поверхность и частично отражается. Если разместить на пути отраженного пучка поляризатор и вращать его в перпендикулярной направлению распространения волны плоскости (рис. 1), интенсивность проходящего излучения будет то уменьшаться, то увеличиваться. При отсутствии внешнего освещения в помещении можно определить направление главной оси поляроида, для этого не требуется никаких специальных устройств или приспособлений.

Рисунок 1. Направление главной оси поляризатора

Определение оптической оси поляризатора
Стандартная экспериментальная установка содержит лазер, поляризатор на фиксированном расстоянии и линейный поляризатор (поляроид) с известным направлением главной оси.

Суть опыта: при взаимно перпендикулярном расположении главных осей поляризаторов 1 и 2 (рис. 2) излучение на выходе из системы полностью гасится.

Двойное лучепреломление
Набор оборудования остается тем же, но между поляризаторами размещается волновая пластина. Поворотом пластины при неизменном положении поляризаторов 1 и 2 добейтесь полного гашения излучения. Тогда главная ось волновой пластины совпадет с положением главной оси поляризатора 1.

Рисунок 2. К определению главной оси поляризатора и иллюстрации двулучепреломления в волновой пластине

Вертикальное направление излучения относительно поверхности стола

Перпендикулярное направление излучения к поверхности образца
Эксперимент с призмой BK7. Источник света расположите так, чтобы свет проходил через поляризатор и, вращая его, его наблюдайте за изменением мощности отраженного от призмы света. Угол падения: 56.6 градусов к полированной поверхности призмы.
При поляризации, параллельной плоскости падения, существует угол падения, называемый углом Брюстера, при котором нет отраженной волны. Отраженная волна будет иметь преимущественную поляризацию перпендикулярно плоскости падения.

Поляризация отраженной волны
Колебания вектора напряженности, перпендикулярные плоскости падения (отраженный и падающий пучки лежат в одной плоскости), называются s-поляризацией; p-поляризация — поляризация света, для которой вектор напряжённости электрического поля лежит в плоскости падения. В качестве отражающего элемента можно использовать плоскопараллельную пластину BK7 без покрытия. Угол падения отрегулируйте так, чтобы он равнялся углу Брюстера (для BK7 угол Брюстера равен 56.6 градусов). Поляризатор расположите на пути падающего пучка. При вращении поляризатора наблюдается изменение мощности отраженного излучения, помимо отраженного будут наблюдаться поверхностное и обратное отражения. Подобно схеме из пункта выше, ось поляризатора может быть повернута на 0 и на 90 градусов. В качестве плоской пластины можно использовать любой другой образец, в том числе волновую пластину.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции OptoSigma на территории РФ

Для изготовления поляризаторов, работающих "на просвет", применяются специально подобранные вещества. Они характеризуются тем, что по-разному взаимодействуют с проходящим через них излучением (далее - светом) в зависимости от направления поляризации последнего.

Есть два основных принципа. Первый - показатель преломления материала различен для света различной поляризации. Это приводит к различию в направлениях распространения различно поляризованных волн. Чем и пользуются, осуществляя пространственное разделение последних.

Второй - различие в коэффициенте поглощении для света различной поляризации ("дихроизм"). Такое вещество (при достаточной толщине) способно практически полностью подавить свет с поляризацией, перпендикулярной поляризационной оси. Тогда как свет, поляризованный вдоль поляризационной оси этого вещества, проходит лишь с незначительным ослаблением.

Поляриза́тор - вещество, позволяющее выделить из естественного света часть, обладающую желаемой поляризацией при пропускании его сквозь или отражении от поверхности. Они используются в поляризацио́нных фильтрах. Действие этих фильтров основано на эффекте поляризации электромагнитных волн, а также на эффектах вращения плоскости поляризации некоторыми веществами.

Поляризационные фильтры широко используются не только в науке или фотографии. В быту мы с ними тоже сталкиваемся — они есть в жидкокристаллических экранах, некоторые солнцезащитные очки так же могут иметь эффект поляризатора.

Какими бывают поляризационные фильтры

По физическим свойствам поляризационные фильтры делятся на два типа. Линейные широко использовались в пленочной фотографии. Сейчас из-за некоторой несовместимости с цифровыми камерами почти не используются.

Принцип действия линейного поляризатора.

В фотофильтрах используется два поляризатора и внешний установлен на вращающейся оправе. На практике эффект от вращения можно увидеть если посмотреть через солнцезащитные очки с поляризатором на экран смартфона и покрутить его: при одном положении смартфона экран будет очень темным, а при повороте на 90° — максимально ярким.

И раз уж речь зашла об очках. Солнцезащитные очки с поляризацией не только защищают от ультрафиолета и избыточной яркости, но и снижают количество бликов. Особенно хорошо это заметят те, кто много времени проводит у воды и на воде — например, рыбаки. Впрочем, и на снегу в горах от таких очков будет польза. Одно время такие очки рекомендовались и водителям — они действительно снижают блики на лобовом стекле и асфальте, делая картинку четче, но с активным использованием электронных приборов с LCD-экранами можно сесть в авто и не увидеть показаний спидометра или картинки с навигатора. А чтобы увидеть, придется повернуть голову пол определенным углом — это никак не способствует безопасному вождению.

Изменение светопропускания при вращении оправы — основной минус линейных поляризационных фильтров, но именно он позволил создать нейтральные фильтры переменной плотности, позволяющие снимать с длинными выдержками при ярком свете.

Циркулярные поляризационные фильтры (маркируются CPL или Circular PL) лишены этого недостатка — они уменьшают количество света примерно на две ступени независимо от положения вращающейся оправы.

Что дает поляризатор фотографу

Свет при отражении от неметаллических поверхностей поляризуется определенным образом, а поляризационный фильтр вращением оправы позволяет пропускать свет с одним направлением поляризации и задерживать все остальные.

На круговой панораме видно, как меняется яркость неба в зависимости от направления.

Синее небо, облака и зеленая листва часто служат примерами работы поляризационного фильтра. В воздухе содержится много аэрозольных частиц, отражаясь от которых свет поляризуется. Именно поэтому чистое небо часто выглядит бледным на фотографиях. Использование поляризационного фильтра позволяет добиться более глубокого цвета неба и зеленой листвы, а белые облака станут более контрастными. Особенно это хорошо заметно в ясный солнечный день, но только если объектив направлен перпендикулярно солнечным лучам. Такова особенность работы поляризационного фильтра — максимальный эффект достигается перпендикулярно солнечному свету, а минимальный, если объектив направлен параллельно солнечным лучам.

Более темное небо на правой стороне правого кадра подскажет, где использовался CPL-фильтр.

Если небо, снятое без фильтра, ярче только в направлении солнца, то с использованием фильтра хорошо заметны затемнения в плоскости, перпендикулярной направлению солнечных лучей, и изменившиеся отражения на воде.

Пропуская свет с одним направлением поляризации и задерживая со всеми остальными, поляризационный фильтр меняет не только интенсивность света, но и его качество. Поэтому эффект от его использования невозможно повторить в графическом редакторе. Если с контрастом и тоном неба или листвы еще можно что-то сделать, то с отражениями в стекле и воде вариантов уже нет.

Два соседних кадра: одна экспозиция и одинаковые параметры конвертации из RAW, все отличия только в повороте оправы поляризационного фильтра.

И снова между кадрами поворот оправы на 90° — как инструмент, контролирующий отражения, поляризационный фильтр не имеет аналогов.

Поляризационные фильтры одни из самых дорогих, поэтому если вы хотите снимать с ними на разные объективы, купите фильтр с диаметром резьбы под самый большой ваш объектив, а на остальные устанавливайте его с помощью переходных колец — не так удобно, но зато экономно.

При съемке через стекло так же, как и на примере выше, свет, отраженный от стекла, и свет, отраженный от предметов за стеклом, имеют разную поляризацию и вращая оправу фильтра можно контролировать то, что зафиксирует матрица фотоаппарата.

Слева снимок сделан без фильтра, справа — с CPL фильтром.

Поляризаторы незаменимы при работе с отражениями, но они не работают при съемке металла и отражениях от металлических поверхностей. В пейзажах они могут помочь прорисовать облака, сделать насыщеннее небо и зелень листвы в определенных условиях, но при съемке панорам или на широкоугольный объектив фильтры добавят темные переходы, которые никак не украсят картинку. А вот съемка через стекло или воду с этим фотоаксессуаром добавит немало интересных кадров в ваше портфолио.

Для начала подберем источник неполяризованного (естественного) света, фотография №1(в нашем случае He-Ne лазер с длиной волны 632,8нм).

Принципы работы поляризационной оптики рассмотрим на примере двух кальцитовых призм Глана-Тейлора в лазерном исполнении .

Для наглядности используются призмы без оправ, кальцит достаточно мягкий материал и для установки призм на стол полированными гранями использовалась защитная прокладка.

Первая призма–Поляризатор (поляризует неполяризованный свет),вторая призма–Анализатор (обнаруживает поляризацию и определяет плоскость поляризации),фотография №2.

При одинаковом положении Поляризатора и Анализатора (когда их плоскости поляризации совпадают) необыкновенный луч (Е) проходит призмы без изменений, а на выходе получаем строгую линейную поляризацию, фотография №3

Поляризатор пропускает необыкновенный луч (Е) и выводит через боковое выводное окно (грань) обыкновенный луч (О) (схема работы призмы Глан-Лазер ), фотография №4.

При повороте Анализатора вокруг своей оптической оси можно добиться частичного или полного перекрытия источника поляризованного света (когда Анализатор повернут относительно Поляризатора на 90 градусов) , фотография №5.

То есть, при включенном источнике света за Анализатором будет темный фон (в таком случае говорят, что Поляризатор и Анализатор скрещены).

Очень похоже на кран для водопровода, но в данном случае мы можем перекрыть световой поток ).

Читайте также: