Поляризационные фильтры: принцип действия и применение.

Введение

Оптическое фильтровое устройство, фотофильтр.

Поляризатор – это оптический фильтр, который пропускает световые волны определенной поляризации, блокируя световые волны других поляризаций. Он способен преобразовывать луч света с неопределенной или смешанной поляризацией в луч с четко определенной поляризацией, известный как поляризованный свет. Поляризаторы используются в различных оптических методах и приборах. Поляризаторы находят применение в фотографии и в технологиях ЖК-дисплеев. В фотографии поляризующий фильтр может использоваться для устранения бликов и отражений. Наиболее распространенными типами поляризаторов являются линейные и круговые поляризаторы. Поляризаторы также могут быть изготовлены для других типов электромагнитных волн, помимо видимого света, таких как радиоволны, микроволны и рентгеновское излучение.

Линейные поляризаторы

Линейные поляризаторы можно разделить на две основные категории: поглощающие поляризаторы, в которых нежелательные состояния поляризации поглощаются устройством, и поляризаторы, разделяющие луч, в которых неполяризованный луч разделяется на два луча с противоположными состояниями поляризации. Поляризаторы, сохраняющие одни и те же оси поляризации при различных углах падения, часто называют декартовыми поляризаторами, поскольку векторы поляризации могут быть описаны простыми декартовыми координатами (например, горизонтальными и вертикальными), не зависящими от ориентации поверхности поляризатора. Когда два состояния поляризации определяются относительно направления поверхности (обычно наблюдается при отражении Френеля), их обычно обозначают как s и p. Это различие между декартовой и s–p поляризацией может быть несущественным во многих случаях, но становится важным для достижения высокой контрастности и при широком диапазоне углов падения света.

Поляризаторы с поглощающей способностью

Некоторые кристаллы, вследствие эффектов, описанных кристаллической оптикой, демонстрируют дихроизм – избирательное поглощение света, поляризованного в определенных направлениях. Поэтому они могут использоваться в качестве линейных поляризаторов. Наиболее известный кристалл такого типа – турмалин. Однако этот кристалл редко используется в качестве поляризатора, поскольку дихроический эффект сильно зависит от длины волны, и кристалл выглядит цветным. Герапатит также дихроичен и не сильно окрашен, но его трудно выращивать в больших кристаллах. Поляризационный фильтр Polaroid функционирует аналогично проволочному поляризатору, но на атомном уровне. Изначально он создавался из микроскопических кристаллов герапатита. Современная H-форма Polaroid изготавливается из поливинилалкоголя (ПВА) с добавлением йода. Растяжение листа в процессе производства приводит к выравниванию цепей ПВА в одном направлении. Валентные электроны, переносимые йодом, способны перемещаться линейно вдоль полимерных цепей, но не поперек них. Таким образом, падающий свет, поляризованный параллельно цепям, поглощается листом, а свет, поляризованный перпендикулярно цепям, проходит сквозь него. Благодаря своей прочности и практичности, Polaroid является наиболее распространенным типом поляризатора, используемым, например, в солнцезащитных очках, фотографических фильтрах и жидкокристаллических дисплеях. Он также значительно дешевле других типов поляризаторов. Современный тип поглощающего поляризатора изготавливается из удлиненных наночастиц серебра, внедренных в тонкие (≤0,5 мм) стеклянные пластины. Эти поляризаторы более долговечны и способны поляризовать свет лучше, чем пластиковая пленка Polaroid, достигая коэффициента поляризации до 100 000:1 и поглощения правильно поляризованного света до 1,5%. Такие стеклянные поляризаторы наиболее эффективны для инфракрасного излучения с короткой длиной волны и широко применяются в волоконно-оптической связи.

Поляризаторы для разделения лучей

Поляризаторы, разделяющие луч, разделяют падающий луч на два луча с различной линейной поляризацией. Для идеального поляризующего разделителя лучей эти лучи были бы полностью поляризованы, с ортогональными поляризациями. Однако для многих распространенных поляризаторов, разделяющих луч, полностью поляризован только один из двух выходных лучей. Другой содержит смесь состояний поляризации. В отличие от поглощающих поляризаторов, поляризаторы, разделяющие луч, не нуждаются в поглощении и рассеивании энергии отклоненного состояния поляризации, поэтому они лучше подходят для использования с лучами высокой интенсивности, такими как лазерный свет. Истинные поляризующие разделители лучей также полезны, когда необходимо одновременно анализировать или использовать оба компонента поляризации.

Поляризация по отражению Френеля

Когда свет отражается (в результате отражения Френеля) под углом от границы раздела между двумя прозрачными материалами, отражающая способность различна для света, поляризованного в плоскости падения, и света, поляризованного перпендикулярно ей. Свет, поляризованный в плоскости падения, называют p-поляризованным, а свет, поляризованный перпендикулярно ей – s-поляризованным. При определенном угле, известном как угол Брюстера, p-поляризованный свет полностью не отражается от поверхности, поэтому весь отраженный свет должен быть s-поляризованным, с электрическим полем, перпендикулярным плоскости падения. Простой линейный поляризатор можно изготовить, наклонив стопку стеклянных пластин под углом Брюстера к лучу. Часть s-поляризованного света отражается от каждой поверхности каждой пластины. Для стопки пластин каждое отражение уменьшает интенсивность падающего луча s-поляризованного света, оставляя большую долю p-поляризованного света в прошедшем луче на каждой стадии. Для видимого света в воздухе и типичного стекла угол Брюстера составляет около 57°, и примерно 16% s-поляризованного света, присутствующего в луче, отражается при каждом переходе воздух-стекло или стекло-воздух. Для достижения даже умеренной поляризации прошедшего луча с помощью этого подхода требуется большое количество пластин. Для стопки из 10 пластин (20 отражений) пропускается около 3% (= (1 – 0,16)20) s-поляризованного света. Отраженный луч, хотя и полностью поляризованный, рассеян и может оказаться не очень полезным. Более полезный поляризованный луч можно получить, наклонив стопку пластин под более крутым углом к падающему лучу. Вопреки интуиции, использование углов падения, превышающих угол Брюстера, обеспечивает более высокую степень поляризации прошедшего луча за счет снижения общей пропускной способности. При углах падения, превышающих 80°, поляризация прошедшего луча может приближаться к 100% при использовании всего четырех пластин, хотя в этом случае интенсивность прошедшего света очень низка. Добавление большего количества пластин и уменьшение угла позволяет достичь лучшего компромисса между пропускной способностью и поляризацией. Поскольку векторы поляризации зависят от угла падения, поляризаторы, основанные на отражении Френеля, по своей природе склонны к созданию s–p поляризации, а не декартовой, что ограничивает их применение в некоторых областях.

When light reflects (by Fresnel reflection) at an angle from an interface between two transparent materials, the reflectivity is different for light polarized in the plane of incidence and light polarized perpendicular to it. Light polarized in the plane is said to be p polarized, while that polarized perpendicular to it is s polarized. At a special angle known as Brewster's angle, no p polarized light is reflected from the surface, thus all reflected light must be s polarized, with an electric field perpendicular to the plane of incidence. A simple linear polarizer can be made by tilting a stack of glass plates at Brewster's angle to the beam. Some of the s polarized light is reflected from each surface of each plate. For a stack of plates, each reflection depletes the incident beam of s polarized light, leaving a greater fraction of p polarized light in the transmitted beam at each stage. For visible light in air and typical glass, Brewster's angle is about 57°, and about 16% of the s polarized light present in the beam is reflected for each air to glass or glass to air transition. It takes many plates to achieve even mediocre polarization of the transmitted beam with this approach. For a stack of 10 plates (20 reflections), about 3% (= (1 − 0.16)20) of the s polarized light is transmitted. The reflected beam, while fully polarized, is spread out and may not be very useful. A more useful polarized beam can be obtained by tilting the pile of plates at a steeper angle to the incident beam. Counterintuitively, using incident angles greater than Brewster's angle yields a higher degree of polarization of the transmitted beam, at the expense of decreased overall transmission. For angles of incidence steeper than 80° the polarization of the transmitted beam can approach 100% with as few as four plates, although the transmitted intensity is very low in this case. Adding more plates and reducing the angle allows a better compromise between transmission and polarization to be achieved. Because their polarization vectors depend on incidence angle, polarizers based on Fresnel reflection inherently tend to produce s–p polarization rather than Cartesian polarization, which limits their use in some applications.

Поляризаторы с двуслойным полярным покрытием

Другие линейные поляризаторы используют двупреломляющие свойства кристаллов, таких как кварц и кальцит. В этих кристаллах луч неполяризованного света, падающий на их поверхность, разделяется посредством преломления на два луча. Закон Снеллиуса применим к обоим этим лучам – обычному (о-луч) и необычному (е-луч), при этом каждый луч испытывает различный показатель преломления (это называется двойным преломлением). В общем случае два луча будут находиться в разных состояниях поляризации, хотя и не в состояниях линейной поляризации, за исключением определенных направлений распространения относительно оси кристалла. Призма Никола была ранним типом двупреломляющего поляризатора, состоящим из кристалла кальцита, который был расщеплен и склеен обратно с использованием бальзама Канады. Кристалл ориентирован таким образом, чтобы о-луч и е-луч находились в ортогональных состояниях линейной поляризации. Полное внутреннее отражение о-луча происходит на границе с бальзамом, поскольку он испытывает больший показатель преломления в кальците, чем в бальзаме, и луч отклоняется в сторону от кристалла. Е-луч, для которого показатель преломления в кальците меньше, проходит через границу без отклонения. Призмы Никола обеспечивают очень высокую чистоту поляризованного света и широко использовались в микроскопии, хотя в настоящее время они в основном заменены альтернативными решениями, такими как призмы Глана-Томпсона, Глана-Фуко и Глана-Тейлора. Эти призмы не являются истинными поляризующими разделителями луча, поскольку только прошедший луч полностью поляризован. Призма Волластона – это еще один двупреломляющий поляризатор, состоящий из двух треугольных кальцитовых призм с ортогональными кристаллическими осями, соединенных вместе. На внутреннем интерфейсе неполяризованный луч разделяется на два линейно поляризованных луча, которые выходят из призмы под углом расхождения 15°–45°. Призмы Рошона и Сенармона аналогичны, но используют различные ориентации оптической оси в двух призмах. Призма Сенармона имеет воздушный зазор, в отличие от призм Волластона и Рошона. Эти призмы действительно разделяют луч на два полностью поляризованных луча с перпендикулярными поляризациями. Призма Номарски является модификацией призмы Волластона и широко используется в дифференциально-интерференционной контрастной микроскопии.

Other linear polarizers exploit the birefringent properties of crystals such as quartz and calcite. In these crystals, a beam of unpolarized light incident on their surface is split by refraction into two rays. Snell's law holds for both of these rays, the ordinary or o ray, and the extraordinary or e ray, with each ray experiencing a different index of refraction (this is called double refraction). In general the two rays will be in different polarization states, though not in linear polarization states except for certain propagation directions relative to the crystal axis. A Nicol prism was an early type of birefringent polarizer, that consists of a crystal of calcite which has been split and rejoined with Canada balsam. The crystal is cut such that the o and e rays are in orthogonal linear polarization states. Total internal reflection of the o ray occurs at the balsam interface, since it experiences a larger refractive index in calcite than in the balsam, and the ray is deflected to the side of the crystal. The e ray, which sees a smaller refractive index in the calcite, is transmitted through the interface without deflection. Nicol prisms produce a very high purity of polarized light, and were extensively used in microscopy, though in modern use they have been mostly replaced with alternatives such as the Glan–Thompson prism, Glan–Foucault prism, and Glan–Taylor prism. These prisms are not true polarizing beamsplitters since only the transmitted beam is fully polarized. A Wollaston prism is another birefringent polarizer consisting of two triangular calcite prisms with orthogonal crystal axes that are cemented together. At the internal interface, an unpolarized beam splits into two linearly polarized rays which leave the prism at a divergence angle of 15°–45°. The Rochon and Sénarmont prisms are similar, but use different optical axis orientations in the two prisms. The Sénarmont prism is air spaced, unlike the Wollaston and Rochon prisms. These prisms truly split the beam into two fully polarized beams with perpendicular polarizations. The Nomarski prism is a variant of the Wollaston prism, which is widely used in differential interference contrast microscopy.

Поляризаторы тонкопленочных материалов

Тонкопленочные линейные поляризаторы (также известные как TFPN) представляют собой стеклянные подложки, на которые нанесено специальное оптическое покрытие. Их поляризующие свойства обусловлены либо отражением на углах Брюстера, либо интерференционными эффектами в пленке, что позволяет им выступать в качестве поляризаторов, разделяющих пучок. В качестве подложки для пленки может использоваться как пластина, вставляемая в пучок под определенным углом, так и стеклянный клин, склеенный со вторым клином для формирования куба, в котором пленка проходит диагонально через центр (одной из распространенных форм является куб МакНейла). Тонкопленочные поляризаторы, как правило, уступают поляризаторам типа Glan по качеству, но они недороги и обеспечивают два пучка, примерно одинаково хорошо поляризованных. Кубические поляризаторы обычно показывают лучшие результаты, чем пластинчатые. Кубические поляризаторы легко спутать с двулучепреломляющими поляризаторами типа Glan.

Поляризаторы для проволочных сетей

Одним из простейших линейных поляризаторов является поляризатор проволочной сетки (WGP), который состоит из множества тонких параллельных металлических проводов, расположенных в плоскости. WGP преимущественно отражают неполяризованную компоненту и, таким образом, могут использоваться в качестве поляризующих разделителей пучка. Паразитное поглощение относительно высоко по сравнению с большинством диэлектрических поляризаторов, хотя и значительно ниже, чем в поглощающих поляризаторах. Электромагнитные волны, у которых компоненты электрического поля направлены параллельно проводам, индуцируют движение электронов вдоль длины проводов. Поскольку электроны могут свободно перемещаться в этом направлении, поляризатор ведет себя аналогично поверхности металла при отражении света, и волна отражается обратно вдоль направления падающего луча (за вычетом небольшого количества энергии, теряемой на нагрев проводов за счет джоулевого нагрева). Для волн, у которых электрическое поле перпендикулярно проводам, электроны не могут перемещаться на значительное расстояние по ширине каждого провода. Следовательно, отражается мало энергии, и падающая волна может проходить сквозь сетку. В этом случае сетка ведет себя как диэлектрический материал. В целом, это приводит к тому, что прошедшая волна становится линейно поляризованной с электрическим полем, полностью перпендикулярным проводам. Предположение о том, что волны "проскальзывают" сквозь зазоры между проводами, является неверным.

Круглые поляризаторы

Круговые поляризаторы (CPL или круговые поляризующие фильтры) могут использоваться для создания циркулярно поляризованного света или, альтернативно, для избирательного поглощения или пропускания света с правой и левой круговой поляризацией. Они применяются в качестве поляризующих фильтров в фотографии для уменьшения косых отражений от неметаллических поверхностей, а также являются линзами 3D-очков, используемых для просмотра некоторых стереоскопических фильмов (в частности, RealD 3D), где поляризация света используется для разделения изображений для левого и правого глаза.

Создание круговой поляризованной света

[[Файл:Круговая. Поляризация. Кругово. Поляризованный. Свет. Круговой. Поляризатор. Создание. Левой. Винтовой. Линии. Вид. svg|thumb|660px|center|alt=Изображение хорошо описано в статье| Круговой поляризатор, создающий левовинтово поляризованный свет. Он считается левовинтовым при наблюдении со стороны приемника и правовинтовым – со стороны источника. Для создания правовинтово поляризованного света достаточно повернуть ось четвертьволновой пластины на 90° относительно линейного поляризатора. Это меняет местами быстрые и медленные оси волновой пластины относительно оси пропускания линейного поляризатора, меняя, какой компонент опережает, а какой отстает. При попытке понять, как четвертьволновая пластина преобразует линейно поляризованный свет, важно помнить, что два рассматриваемых компонента не являются самостоятельными сущностями, а лишь мысленными конструкциями, используемыми для понимания происходящего. В случае линейно и кругово поляризованного света в каждой точке пространства всегда существует единственное электрическое поле с определенным вектором направления; четвертьволновая пластина лишь преобразует это единственное электрическое поле.

Поглощает и пропускает кругово поляризованный свет

Круговые поляризаторы также могут использоваться для селективного поглощения или пропускания света с правой или левой круговой поляризацией. Эта особенность используется в 3D-очках в стереоскопических кинотеатрах, таких как RealD Cinema. Данный поляризатор, создающий одну из двух поляризаций света, пропускает ту же поляризацию, когда свет проходит через него в обратном направлении. В отличие от этого, он блокирует свет с противоположной поляризацией. [[Файл:Круговая.Поляризация.Кругово.Поляризованный.Свет.Круговой.Поляризатор.Пропускает.Левый.Винт.Вид.svg|thumb|660px|center|Круговой поляризатор, пропускающий левозакрученный, против часовой стрелки кругово поляризованный свет (левозакрученный, если смотреть со стороны приемника).] В частности, мы берем описанный ранее круговой поляризатор, который преобразует кругово поляризованный свет в линейно поляризованный, и добавляем к нему вторую четвертьволновую пластину, повернутую на 90° относительно первой. В общем случае, не ссылаясь напрямую на вышеуказанную иллюстрацию, когда любая из двух поляризаций кругово поляризованного света входит в первую четвертьволновую пластину, один из двух ортогональных компонентов запаздывает на четверть длины волны относительно другого. Это создает одну из двух линейных поляризаций в зависимости от направления вращения кругово поляризованного света. Линейный поляризатор, расположенный между четвертьволновыми пластинами, ориентирован таким образом, чтобы пропускать одну линейную поляризацию и блокировать другую. Вторая четвертьволновая пластина затем принимает прошедший линейно поляризованный свет и запаздывает ортогональный компонент, который не был запаздывающим на предыдущей пластине. Это возвращает два компонента в их исходное фазовое соотношение, восстанавливая выбранную круговую поляризацию. Важно отметить, что не имеет значения, в каком направлении проходит кругово поляризованный свет.

Фильтры круговой и линейной поляризации для фотографии

Линейные поляризующие фильтры были первыми, которые стали использоваться в фотографии, и до сих пор применимы для незеркальных и старых однообъективных зеркальных камер (SLR). Однако камеры с экспонометрией через объектив (TTL) и системой автофокусировки – то есть, все современные зеркальные и цифровые зеркальные камеры – используют оптические элементы, пропускающие линейно поляризованный свет. Если свет, попадающий в камеру, уже линейно поляризован, это может привести к сбоям в экспозиции или системе автофокусировки. Круговые поляризующие фильтры устраняют линейно поляризованный свет и, следовательно, могут использоваться для затемнения неба, повышения насыщенности и устранения бликов, при этом круговой поляризованный свет, который они пропускают, не влияет на работу систем через объектив.