Линейный поляризатор

Линейный поляризатор — это оптическое устройство, предназначенное для выделения из падающего на него неполяризованного (естественного) или частично поляризованного света волн с определённым направлением колебаний электрического вектора. В результате прохождения через линейный поляризатор свет становится линейно поляризованным: его электрическое поле колеблется строго в одной плоскости, называемой плоскостью поляризации. Линейные поляризаторы являются одним из основных типов поляризационных устройств и широко применяются в научных исследованиях, технике, фотографии и дисплейных технологиях.

Принцип действия

Основной принцип работы линейного поляризатора основан на анизотропии — зависимости оптических свойств среды от направления. В неполяризованном свете векторы напряжённости электрического поля хаотично ориентированы во всех направлениях, перпендикулярных направлению распространения. При прохождении через анизотропную среду одна из компонент поля (параллельная определённому направлению, называемому осью пропускания) проходит с минимальными потерями, а другая (перпендикулярная) сильно ослабляется или полностью поглощается. Таким образом, на выходе остаётся только одна компонента, и свет становится линейно поляризованным.

Типы линейных поляризаторов

Существует несколько конструктивных типов линейных поляризаторов, различающихся по физическому механизму поляризации и области применения.

Плёночные поляризаторы (поляроиды)

Наиболее распространённый тип, используемый в бытовой и массовой технике. Представляют собой полимерную плёнку (обычно на основе поливинилового спирта), в которую внедрены ориентированные в одном направлении молекулы йода или дихроичных красителей. Такая плёнка обладает сильным дихроизмом: она поглощает свет с колебаниями, параллельными длинным осям молекул, и пропускает свет с перпендикулярной поляризацией. Поляроиды компактны, дёшевы и эффективны в видимом диапазоне, но имеют ограниченную стойкость к нагреву и ультрафиолету.

Призменные поляризаторы

Основаны на эффекте полного внутреннего отражения и двойного лучепреломления в кристаллах. Классическим примером является призма Николя, изобретённая в 1828 году. Она состоит из двух склеенных канадским бальзамом призм из исландского шпата (кальцита). Обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение на границе склейки и выводится в сторону, а необыкновенный луч проходит насквозь. Современные призменные поляризаторы (например, призма Глана — Тейлора, призма Глана — Фуко, призма Рошона) обеспечивают высокую степень поляризации и широкий спектральный диапазон, но отличаются большими габаритами и высокой стоимостью.

Поляризационные светоделители

Представляют собой кубы или пластины, состоящие из двух склеенных прямоугольных призм с нанесённым на гипотенузную грань многослойным диэлектрическим покрытием. Такое покрытие действует как интерференционный фильтр: оно отражает свет одной поляризации (s-поляризация) и пропускает свет другой (p-поляризация). Эти устройства используются в лазерной технике и оптических системах, где требуется разделение пучка на две ортогонально поляризованные компоненты.

Решёточные поляризаторы

Основаны на эффекте поляризации при дифракции на металлических или диэлектрических решётках с периодом, меньшим длины волны. Такие решётки (например, проволочные поляризаторы) пропускают свет с поляризацией, параллельной штрихам, и отражают или поглощают перпендикулярную компоненту. Они используются в инфракрасном и терагерцовом диапазонах, где традиционные плёночные поляризаторы неэффективны.

Основные характеристики

Качество и применимость линейного поляризатора оцениваются по нескольким параметрам:

• Степень поляризации — отношение интенсивности поляризованной компоненты к полной интенсивности прошедшего света. Для качественных поляризаторов превышает 99,9 %.
• Коэффициент экстинкции — отношение интенсивности прошедшего света при параллельной ориентации оси пропускания к интенсивности при скрещённой ориентации. Высокий коэффициент (10⁴–10⁶) указывает на малое пропускание нежелательной поляризации.
• Пропускание — доля падающего света, прошедшая через поляризатор при оптимальной ориентации. Для плёночных поляризаторов составляет 30–50 %, для призменных — до 90 %.
• Рабочий спектральный диапазон — интервал длин волн, в котором поляризатор сохраняет заданные характеристики. Поляроиды работают в видимой области (400–700 нм), призменные — от ультрафиолета до ближнего инфракрасного диапазона.
• Угол поля зрения — максимальный угол падения света, при котором поляризатор сохраняет эффективность. Для плёночных поляризаторов может достигать 180°, для призменных — ограничен (обычно 10–30°).

Применение

Линейные поляризаторы используются в самых разных областях науки и техники.

Фотография и оптика

В фотографии поляризационные светофильтры (обычно на основе поляроида) устанавливаются на объектив для устранения бликов от неметаллических поверхностей (воды, стекла, листвы) и увеличения насыщенности цветов неба. Вращая фильтр, фотограф может регулировать степень поляризации.

Дисплейные технологии

Жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи) содержат два скрещённых линейных поляризатора, между которыми находится слой жидких кристаллов. Изменяя ориентацию кристаллов с помощью электрического поля, можно управлять поляризацией света и, соответственно, яркостью каждого пикселя. Поляризаторы также используются в 3D-кинематографе (системы с пассивными поляризационными очками).

Научные исследования

В спектроскопии, микроскопии и эллипсометрии поляризаторы применяются для анализа свойств веществ, измерения толщины плёнок, изучения структуры кристаллов и биологических тканей. Поляризационная микроскопия позволяет визуализировать анизотропные структуры, невидимые в обычном свете.

Лазерная техника

В лазерах поляризаторы используются для выделения определённой поляризации излучения, а также в качестве элементов оптических затворов и модуляторов добротности.

Защита от бликов

Поляризационные очки (например, для водителей или рыбаков) содержат плёночные поляризаторы, которые ослабляют отражённый от горизонтальных поверхностей свет, снижая утомляемость глаз и улучшая видимость.

Историческая справка

Первые наблюдения поляризации света были сделаны Этьеном Малюсом в 1808 году при изучении отражения от стекла. В 1828 году Уильям Никол изобрёл призму, названную его именем, которая стала первым практическим устройством для получения линейно поляризованного света. В 1852 году Джордж Стокс ввёл математическое описание поляризации с помощью параметров Стокса. В 1938 году Эдвин Лэнд создал первый коммерческий плёночный поляризатор (поляроид), что привело к массовому внедрению поляризационных устройств в фотографию и оптику. В 1970-х годах развитие жидкокристаллических дисплеев сделало поляризаторы ключевым компонентом электронной промышленности.

Интересные факты

• В природе линейные поляризаторы встречаются в глазах некоторых насекомых (например, пчёл и муравьёв), которые используют поляризацию неба для навигации.
• Поляризационные фильтры в фотографии не работают с металлическими поверхностями, так как отражённый от металла свет сохраняет свою поляризацию, а не становится частично поляризованным.
• В некоторых современных ЖК-дисплеях для повышения яркости и контраста используются поляризаторы с круговой поляризацией, которые представляют собой комбинацию линейного поляризатора и четвертьволновой пластинки.

Источники

• Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука, 1973.
• Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Физматлит, 2003.
• Хехт Ю. Оптика. — М.: Мир, 1979.
• Hecht E. Optics. — 4th ed. — Addison-Wesley, 2002.
• Collett E. Field Guide to Polarization. — SPIE Press, 2005.