Круговой поляризатор

Круговой поляризатор — это оптический фильтр или устройство, преобразующее неполяризованный свет в свет с круговой поляризацией, либо анализирующее круговую поляризацию. В отличие от линейного поляризатора, который пропускает только волны с определённым направлением колебаний электрического вектора, круговой поляризатор создаёт или выделяет состояние, при котором вектор электрического поля вращается по спирали вокруг направления распространения луча. Круговые поляризаторы широко применяются в фотографии, микроскопии, стереоскопии, оптической связи и лазерной технике.

Принцип действия

Круговой поляризатор обычно состоит из двух последовательно расположенных элементов: линейного поляризатора и пластинки в четверть волны (λ/4). Линейный поляризатор пропускает только свет, поляризованный в одной плоскости. Затем этот линейно поляризованный свет проходит через пластинку в четверть волны, которая вносит разность фаз между двумя ортогональными компонентами поляризации, равную 90° (π/2). В результате результирующий вектор электрического поля начинает вращаться, и свет приобретает круговую поляризацию.

Направление вращения (правое или левое) определяется ориентацией оптической оси пластинки относительно плоскости поляризации. Если пластинка ориентирована так, что быстрая ось составляет угол 45° к плоскости поляризации, то на выходе получается круговая поляризация. При изменении угла на -45° направление вращения меняется на противоположное.

В обратном направлении (при использовании для анализа поляризации) круговой поляризатор работает как фильтр, пропускающий свет только с определённым направлением вращения. Свет с круговой поляризацией, проходя через пластинку в четверть волны, преобразуется в линейно поляризованный, который затем либо проходит через линейный поляризатор, либо задерживается им.

Типы круговых поляризаторов

По конструкции

• Плёночные поляризаторы. Наиболее распространённый тип, используемый в фотофильтрах. Представляет собой многослойную полимерную плёнку, в которую встроены линейный поляризатор и пластинка в четверть волны. Такие фильтры компактны, дёшевы и эффективны для видимого диапазона.
• Призменные поляризаторы (например, призма Глана — Тейлора с пластинкой в четверть волны). Используются в лабораторной оптике и лазерных системах. Обеспечивают высокую степень поляризации и устойчивость к мощному излучению.
• Жидкокристаллические поляризаторы. В жидкокристаллических дисплеях (LCD) часто используются круговые поляризаторы для улучшения углов обзора и уменьшения бликов. Они могут быть выполнены на основе холестерических жидких кристаллов, которые селективно отражают свет с одной круговой поляризацией.
• Метаматериальные поляризаторы. Перспективный тип, основанный на наноструктурах. Позволяет создавать компактные и широкополосные круговые поляризаторы для инфракрасного и терагерцового диапазонов.

По диапазону длин волн

• Для видимого света. Стандартные фотофильтры и лабораторные поляризаторы.
• Для инфракрасного (ИК) диапазона. Используются в тепловидении и спектроскопии. Изготавливаются из кристаллов (например, кварца, сапфира) или специальных полимеров.
• Для ультрафиолетового (УФ) диапазона. Применяются в литографии и флуоресцентной микроскопии. Требуют использования материалов, прозрачных в УФ (например, фторида магния).

Применение

Фотография

Круговой поляризационный фильтр (C-PL) — один из основных аксессуаров фотографа. Он устанавливается на объектив и позволяет:

• Убирать блики с неметаллических поверхностей (вода, стекло, листва).
• Увеличивать насыщенность неба и облаков (эффект «проявленного» неба).
• Уменьшать световой поток (фильтр работает как нейтральный, ослабляя свет на 1–2 ступени).
• Улучшать контрастность в условиях тумана или дымки.

В отличие от линейного поляризатора, круговой поляризатор не нарушает работу автофокуса и экспозамера в зеркальных и беззеркальных камерах, так как он преобразует поляризованный свет обратно в неполяризованный для датчиков камеры.

Микроскопия

В поляризационной микроскопии круговые поляризаторы используются для изучения оптически активных веществ (например, сахаров, аминокислот, жидких кристаллов). Они позволяют визуализировать структуры, которые не видны в обычном свете, а также измерять угол вращения плоскости поляризации.

Стереоскопия и 3D-дисплеи

В системах круговой поляризации для 3D-кино и телевидения (например, RealD) используются круговые поляризаторы. На экране поочерёдно отображаются кадры для левого и правого глаза, каждый из которых поляризован по кругу в противоположном направлении. Зритель надевает очки с круговыми поляризаторами, которые пропускают к каждому глазу только «свой» кадр. Преимущество этого метода перед линейной поляризацией — отсутствие ограничений по наклону головы.

Оптическая связь

В волоконно-оптических линиях связи круговые поляризаторы используются для управления состоянием поляризации сигнала, что важно для когерентных систем передачи и для подавления поляризационной модовой дисперсии.

Лазерная техника

В лазерах круговые поляризаторы применяются для:

• Создания циркулярно поляризованного лазерного излучения.
• Изоляции обратного излучения (оптические изоляторы на основе кругового поляризатора и магнитооптического вращателя).
• Модуляции добротности.

Научные исследования

Круговые поляризаторы используются в спектроскопии кругового дихроизма (CD), которая позволяет изучать вторичную структуру белков и нуклеиновых кислот. Также они применяются в астрономии для анализа поляризации излучения от удалённых объектов (например, от активных ядер галактик).

Сравнение с линейным поляризатором

Интересные факты

• Первый круговой поляризатор для фотографии был запатентован компанией Polaroid в 1930-х годах.
• Некоторые животные, например, креветки-богомолы, способны видеть круговую поляризацию света. Они используют её для навигации и общения.
• В жидкокристаллических дисплеях (LCD) круговые поляризаторы используются для уменьшения бликов и улучшения углов обзора. Без них экран был бы виден только под прямым углом.
• Круговой поляризатор можно использовать как переменный нейтральный фильтр, если вращать его перед объективом.

Источники

• Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука, 1973.
• Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Физматлит, 2003.
• Хехт Ю. Оптика. — М.: Мир, 1979.
• ГОСТ 7601-78. Физическая оптика. Термины и определения.
• Патент США US 2,403,731 (Polaroid Corporation, 1946).
• Hecht E. Optics. 4th ed. — Addison-Wesley, 2002.