Поляризационные призмы и поляроиды кратко
Обновлено: 07.07.2024
13.08.2014 22:37
дата обновления страницы
Поляризаторы, призменные поляризаторы, пленочные поляризаторы (поляроиды)
Поляризатор является своеобразным селектором. Из всего многообразия колебаний электрического вектора он выделяет одно, преобразуя естественный свет в поляризованный. Первые поляризаторы были изготовлены из двулучепреломля-ющего кристалла.
В 1828 г. Николь изготовил первую поляризационную призму. Вскоре появилось целое семейство призм Николя (рис. 51 а - е), которые отличаются ориентацией оптической оси кристалла. Обычно они ромбической формы, и ось кристалла не совпадает с их входной поверхностью. Состоят призмы из двух половин, склеенных по диагонали. Естественный свет первой половиной призмы делится на обыкновенный и необыкновенный лучи. На границе двух половин обыкновенный луч отражается, а необыкновенный проходит сквозь поляризатор. Призма Николя -
это первый качественный поляризатор. В продолжении столетия слова и были синонимами.
В призме Николя было одно неудобство - луч, проходя сквозь нее, смещался. Появившаяся вскоре призма Глана устранила этот недостаток и постепенно вытеснила призмы Николя из практики. Сейчас известны несколько вариантов призмы Глана. Все они прямоугольной формы, ось кристалла в них ориентирована вдоль входной поверхности (рис. 51, ж - м). Поляризующая способность призм Глана очень высока, в отдельных случаях она достигает значения 0,99999.
Как уже отмечалось, призмы Николя и Глана пропускают только один поляризованный луч, их называют однолуче-выми поляризаторами. Чтобы получить два луча одновременно - обыкновенный и необыкновенный - используют двухлу-чевые поляризаторы, например, призмы Рошона, Сенармона и Волластона (рис. 52). Сравним рис. 51 и 52. На первый взгляд, одно- и двухлучевые поляризаторы мало чем отличаются. Все они состоят из двух или трех кристаллических элементов. Но посмотрим, как ориентированы оптические оси кристаллов. В однолучевом поляризаторе оси всех элементов ориентированы одинаково, в двухлуче-вом - перпендикулярно. Это и обусловливает различие в работе поляризаторов.
Проследим поведение света в призме Рошона. Неполяризованный свет разлагается первым элементом на обыкновенный о и необыкновенный е лучи, которые распространяются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Перейдя во второй элемент, обыкновенный луч сохраняет скорость и направление, что нельзя сказать о необыкновенном луче. В результате из поляризатора лучи выходят под некоторым углом друг к другу (10. 15°), который зависит от длины волны излучения и от конструкции призмы: от угла среза ее элементов а, от материала, из которого они изготовлены.
Рис. 51. Однолучевые призмы Николя (а - е) и Глана (ж - м): о - обыкновенный луч; е - необыкновенный луч. Стрелкой и крестом показаны направления оптической оси вдоль и перпендикулярно плоскости рисунка соответственно
Рис. 52. Двухлучевые призмы Рошона (а), Сенармона (б) и Волластона (в): о - обыкновенный луч; е - необыкновенный луч. Стрелкой и крестом показаны направления оптической оси вдоль и перпендикулярно плоскости рисунка соответственно
В отличие от призмы Рошона призма Волластона одинаково отклоняет как обыкновенный, так и необыкновенный лучи, поэтому угол между ними в два раза больше, чем у призм Рошона и Сенармона. Это очень удобно при конструировании приборов.
Изготовляют призменные поляризаторы обычно из исландского шпата СаСОз. Этот кристалл хорошо обрабатывается, химически стойкий. Но самое главное его достоинство - большое двулучепреломле-ние. Однако запасы исландского шпата в мире невелики, поэтому поляризаторы из них дорогие. Это заставило ученых искать более дешевые материалы. Появились поляризаторы из искусственных кристаллов дигидрофосфата аммония (его обозначают обычно АДР), азотнокислого натрия NaN03, кварца. Но ни один из них не может конкурировать с исландским шпатом. Кристаллы АДР и NaN03 растворяются в воде, поэтому во влажных помещениях качество поверхностей призм ухудшается, и их периодически переполировывают. А двулучепреломляющие свойства кварца оказываются недостаточными для создания удобных в работе поляризаторов. Но как ни хорош исландский шпат, и он не лишен недостатков. Под лучами мощного лазерного излучения в нем появляются заметные следы разрушения. Более луче-прочными оказались искусственные кристаллы ортованата иттрия YV04 и хлорида ртути.
Не только механическая и химическая прочность кристаллов интересует разработчиков поляризаторов. Важно также, в какой области спектра кристалл пропускает свет. С этой точки зрения исландский шпат достаточно универсален, он прозрачен в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра. У ортованата иттрия граница прозрачности несколько сдвинута в сторону инфракрасного диапазона. УФ лучи хорошо пропускают кристаллы флуорида магния.
Не менее важно правильно выбрать и материал склейки элементов поляризатора. Показатель преломления его должен быть одинаково близок как для обыкновенного, так и для необыкновенного лучей. Он должен быть химически стойким, не поглощать свет.
В видимой и ближней ИК областях неплохо себя зарекомендовали бальзам пихтовый и бальзамин. Иногда применяют льняное и маковое масло. УФ лучи хорошо пропускают глицерин и гедамин (раствор мочевиноформальдегидных смол в бутиловом спирте). Их коротковолновая граница поглощения лежит на уровне 0,140 мкм. Для более коротковолнового диапазона пока еще не получили удовлетворительных клеев. Элементы поляризатора для этой области обычно не склеивают, а оставляют между ними тонкую воздушную прослойку. Последнее время появилась новая технология соединения элементов поляризатора - методом оптического контакта. Суть метода проста: хорошо обработанные поверхности притираются. Такое соединение по прочности не уступает склеенному. Разъединить элементы так же сложно, как и разнять два мощных разнополюсных магнита.
Пленочные поляризаторы (поляроиды)
При всех достоинствах призменные поляризаторы имеют один недостаток - высокую стоимость. В этом отношении более выигрышными оказались поляризаторы из дихроичных материалов - поляроиды.. Первоначально была сделана попытка изготовить поляроид из природного дихроичного материала - монокристалла турмалина. Но это достаточно редкий минерал, да и в природе встречается небольших размеров. Тогда пошли по другому пути. Ленд предложил заменить монокристалл большим числом тонких монокристаллов или длинными дихроичными молекулами и ориентировать их в одном направлении. Для этого достаточно внедрить их в эластичную полимерную пленку и растянуть ее. В результате дихроичные частицы или молекулы, которые первоначально имели произвольное направление, стремятся расположиться вдоль направления растяжения.
Обычно пленку изготовляют из поливинилового спирта и окрашивают йодом. Растянутая изотропная пленка становится двулучепреломляющей, приобретая подобие одноосного кристалла, а йод придает ей дихроичные свойства. Естественный свет, проходя через такую пленку, разлагается на обыкновенный и необыкновенный лучи. Обладая дихроичными свойствами, пленка пропускает только луч, поляризованный перпендикулярно направлению растяжения, другой луч она поглощает.
Есть и другой способ получения поляроида. Суть его состоит не в присоединении к поливиниловому спирту дихроичного йода, а в отщеплении от него атомов кислорода и водорода. В результате в поливиниле появляется небольшое количество поливиниленовых молекул. Они и придают дихроичные свойства растянутой поливиниловой пленке. Такой поляроид удовлетворительно работает в большей части видимого спектра, но вблизи длинноволновой границы эффективность его снижается. Эту границу можно расширить до 2,7 мкм, если поливиниленовую пленку окрасить йодом.
Пленочные поляризаторы можно изготовлять достаточно большой площади (до 1 м2). Легко сделать поляроид среднего качества, но далеко не просто получить высококачественную пленку больших размеров. Влияют многие факторы: толщина пленки, степень ее растяжения, количество введенного йода, время термообработки. Например, при увеличении времени термообработки повышается степень поляризации поляроида, но уменьшается пропускание света, а спектральный диапазон сдвигается в длинноволновую область. Следует избегать неравномерного растяжения пленки, так как участки разной толщины неодинаково пропускают свет. Кроме того, при неравномерном растяжении пленки нарушается параллельность цепей дихроичных молекул, поэтому направление пропускания света в разных участках пленки становится неодинаковым. Особенно это сказывается в поляроидах больших размеров. И тем не менее по поляризующей способности наиболее удачные образцы поляроидов приближаются к призменным (99,95 %), чего нельзя сказать о пропускании света (40 %).
Работать с поляроидами надо весьма аккуратно. Они не обладают механической и термической прочностью призменных поляризаторов. Перегрев их может привести к ослаблению и даже потере поляризационных свойств. А при длительном освещении йодосодержащие пленки постепенно обесцвечиваются. И все же у поляроидов есть неоспоримые достоинства: они легкие, тонкие, их можно применять в сильно сходящихся или расходящихся пучках света, и, что немаловажно, они дешевы.
Приборы для получения поляризованного света, называется поляризованными приборами. В основе работы всех этих приборов лежит двойное лучепреломление. Все поляризационные приборы делятся на два типа: призмы и поляроиды.
Призмы в свою очередь делятся на два класса:
1. Призмы, дающие только один плоскополяризованный луч – поляризационная призма.
2.Призмы, дающие два поляризационных луча во взаимно перпендикулярных направлениях – двоякопреломляющие призмы.
Во всех призмах используется явление полного внутреннего отражения. Как правило отражается О – луч, он не выходит из этой призмы. Для того чтобы он не вышел из призмы, призма содержит какой-либо поглощающий слой. Наиболее часто используется призма, которая называется призма Никеля (шотландский ученый). Саму призму просто называют Николь. Николь состоит из двух призм сделанных из исландского шпата, вдоль линии АВ призмы склеены специальным клеем, которая называется канадский бальзам, n=1,55.
Падающий луч, входя в николь, разделяется на два луча – на обыкновенный с n=1,66 и необыкновенный с n=1,51.
Угол падения естественного света подбирается таким образом чтобы О – луч испытал явление полного внутреннего отражения.
На границе склеивания АВ и затем поглотился зачерненной поверхностью СВ.
Необыкновенный луч выходит из призмы параллельно падающей, но немного смещенной.
Двоякопреломляющие призмы изготавливаются из такого материала, чтобы показатель преломления обыкновенных и необыкновенных лучей значительно отличались друг от друга. И тогда такие призмы значительно разводят относительно друг друга обыкновенные и необыкновенные лучи.
Такую двояковыпуклую призму можно изготовить, склеивая испанский шпат и стекло. Двоякопреломляющие призмы обладают свойством дихроизма. Такие кристаллы называют дихроичными. Слово дихроизм означает различное поглощение кристалла света в зависимости от ориентации вектора (то есть по-разному поглощается перпендикулярные и продольные компоненты). Например кристалл турмалина поглощает О – луч, если толщина кристалла равен 1мм. Поглощение в дихроичных кристаллах зависит от длины волны, поэтому при освещении их белым светом на поверхности дихроичного кристалла появляется радужная окраска. Дихроичные кристаллы используются в поляроидах. Пример поляроида это тонкая пленка из целлулоида, в котором есть крапление герапатита. Герапатитдихроичные кристаллы, при толщине такой пленки 0,1мм, О – луч не проходит сквозь эту пленку, поэтому поляроид – это совершенный поляризатор. Поляроиды широко используют для защиты от прямых солнечных лучей и от защиты от фар идущей навстречу автотранспорту. Поляроиды в отличие от призм имеют недостаточную прозрачность, но их движение сильно зависит от λ. Различные кристаллы создают разные двойное лучепреломление, поэтому, пропуская поляризационный свет через такие кристаллы и измеряя его изменения можно определить химический состав минерала. Такой метод исследования называется минералогичным анализом, а сами приборы называются поляризационными микроскопами.
ПОЛЯРИЗАЦИО́ННЫЕ ПРИ́ЗМЫ, оптич. призмы, применяемые для получения поляризованного света; один из видов поляризаторов. П. п. состоят из двух или более трёхгранных призм, на границе раздела которых резко различаются условия прохождения света для двух компонент светового луча с ортогональными поляризациями. При этом либо одна из компонент испытывает пол ное внут рен нее от ра же ние и отсекается, а из призмы выходит только одна компонента с определённой поляризацией, либо обе компоненты пространственно разделяются (двухлучевые П. п.).
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 плоскополяризованный луч (поляризационные призмы);
2) призмы, дающие два поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча (двоякопреломляющие призмы).
Поляризационные призмы построены по принципу полного отражения (см. § 165) одного из лучей (например, обыкновенного) от границы раздела, в то время как другой луч с другим показателем преломления проходит через эту границу. Типичным представителем поляризационных призм является призма Николя, называемая часто николем.Призма
Николя (рис.281) представляет собой двойную призму из исландского шпата, склеенную вдоль линии АВ канадским бальзамом сn=1,55. Оптическая осьОО'призмы составляет с входной гранью угол 48°. На передней грани призмы естественный луч, параллельный ребруСВ, раздваивается на два луча: обыкновенный (nо=1,66) и необыкновенный (ne=1,51). При соответствующем подборе угла падения, равного или большего предельного, обыкновенный луч испытывает полное отражение (канадский бальзам для него является средой оптически менее плотной), а затем поглощается зачерненной боковой поверхностью СВ. Необыкновенный луч выходит из кристалла параллельно падающему лучу, незначительно смещенному относительно него (ввиду преломления на наклонных граняхАС иBD).
Двоякопреломляющие призмыиспользуют различие в показателях преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, чтобы развести их возможно дальше друг от друга. Примером двоякопреломляющих призм могут служить призмы из исландского шпата и стекла, призмы, составленные из двух призм из исландского шпата со взаимно перпендикулярными оптиче-
Двоякопреломляющие кристаллы обладают свойством дихроизма,т. е. различного поглощения света в зависимости от ориентации электрического вектора световой волны, и называютсядихроичными кристаллами.Примером сильно дихроичного кристалла является турмалин, в котором из-за сильного селективного поглощения обыкновенного луча уже при толщине пластинки 1 мм из нее выходит только необыкновенный луч. Такое различие в поглощении, зависящее, кроме того, от длины волны, приводит к тому, что при освещении дихроичного кристалла белым светом кристалл по разным направлениям оказывается различно окрашенным.
Дихроичные кристаллы приобрели еще более важное значение в связи с изобретением поляроидов., чем в призмах. Кроме того, их меньшая по сравнению с призмами прозрачность (приблизительно 30 %) в сочетании с небольшой термостойкостью не позволяет использовать поляроиды в мощных световых потоках. Поляроиды применяются, например, для защиты от ослепляющего действия солнечных лучей и фар встречного автотранспорта.lПримером поляроида может служить тонкая пленка из целлулоида, в которую вкраплены кристаллики герапатита (сернокислого иод-хинина). Герапатит — двоякопреломляющее вещество с очень сильно выраженным дихроизмом в области видимого света. Установлено, что такая пленка уже при толщине «0,1 мм полностью поглощает обыкновенные лучи видимой области спектра, являясь в таком тонком слое совершенным поляризатором. Преимущество поляроидов перед призмами — возможность изготовлять их с площадями поверхностей до нескольких квадратных метров. Однако степень поляризации в них сильнее зависит от
Разные кристаллы создают различное по значению и направлению двойное лучепреломление, поэтому, пропуская через них поляризованный свет и измеряя его изменение после прохождения кристаллов, можно определить их оптические характеристики и производить минералогическийанализ. Для этой цели используютсяполяризационные микроскопы.
Читайте также: