Что такое поляризаторы виды поляризаторов

3.2 . Поляризатор. Поляризацио́нный фильтр

Поляриза́тор — вещество, позволяющее выделить из электромагнитной волны (естественный свет является частным случаем) часть, обладающую желаемой поляризацией при пропускании его сквозь или отражении от поверхности, получая проекцию волны на плоскость поляризации. Они используются в поляризацио́нных фильтрах. В радиотехнике и в быту под поляризатором понимается устройство для преобразования вертикальной или горизонтальной поляризации в круговую (эллиптическую) или наоборот. В антеннах в качестве поляризаторов используют волноводы с вкрученными винтами.

Поляризацио́нный фильтр — устройство для получения полностью или частично поляризованного оптического излучения из излучения с произвольными поляризационными характеристиками. В фотографии поляризационные фильтры используются для достижения различных художественных эффектов (устранение бликов, затемнение неба).

Устройство поляризационного фильтра:

Для большинства практических применений поляризационный фильтр изготавливают в виде двух стеклянных пластинок с находящейся между ними плёнкой. Поляроидная плёнка представляет собой слой ацетилцеллюлозы, содержащий большое количество мелких кристаллов герапатита (иодистое соединение сернокислого хинина). Применяются также иодно-поливиниловые плёнки с одинаково ориентированными полимерными цепями. Идентичность ориентации кристаллов достигается с помощью электрического поля, а полимерные цепи ориентируют механическим растяжением.

Поляризационные фильтры применяется в фотографиях:

Действие этих фильтров основано на эффекте поляризации электромагнитных волн, а также на эффектах вращения плоскости поляризации некоторыми веществами.

Светочувствительный материал в фотографии не сохраняет информации о плоскости поляризации падающих на него волн электромагнитного излучения. Поляризационный фильтр линейной поляризации (англ. Linear Polarizer, LP). Содержит один поляризатор, поворачивающийся в оправе. Его применение основывается на том, что часть света в окружающем нас мире поляризована. Частично поляризованы все лучи, неотвесно падающие отражённые от диэлектрических поверхностей. Частично поляризован свет, поступающий от неба и облаков. Поэтому, применяя поляризатор при съёмке, фотограф получает дополнительную возможность изменения яркости и контраста различных частей изображения. Например, результатом съёмки пейзажа в солнечный день с применением такого фильтра может получиться тёмное, густо-синее небо. При съёмке находящихся за стеклом объектов поляризатор позволяет избавиться от отражения фотографа в стекле.

Рисунок 5 ─ Пример использования поляризационного фильтра в фотографии. Максимальный эффект достигается при съёмке в направлении, перпендикулярном направлению на Солнце.

3.3 Особые шкалы поляриметров

Определяемая законом Био строго линейная зависимость между измеренной величиной поворота плоскости колебаний и протя­женностью пробы позволяет для часто повторяющихся измерений при постоянной толщине пробы градуировать шкалы непосред­ственно в значениях концентраций. Кюветы с определенной тол­щиной пробы для часто встречающихся веществ поставляются с круговыми поляриметрами.

Для сахарозы, концентрация которой чаще всего определяется поляриметрическим способом, разработана специальная шкала, принятая в качестве международной. В ее основу, с учетом ли­нейной области действия закона Био, положено растворение 26,00 г анализируемого вещества, содержащего сахарозу, в 100 мл воды при 20 °С. Эта концентрация принята за конечную точку линейной шкалы, разделенной на 100 частей при выбранной длине волны и толщине пробы. Значение угла поворота этого «нормаль­ного сахарного раствора» известным способом можно сопоставить с показаниями контрольных кварцевых пластин. Единицей изме­рения этой международной шкалы сахарозы является один градус сахарозы (1 *S), который при принятых условиях является не мерой измерения угла, а мерой измерения концентрации, непо­средственно показывающей процентное содержание сахарозы отно­сительно концентрации, принятой за 100 % .

Вопрос 58. Поляризаторы и анализаторы. З-н Малюса.

Поляризатор (Р)– оптическое ус-во, преобразующее естественный свет в линейно поляризованный. Поляризаторы бесприпятственно пропускают колебания, параллельные пл-ти поляризатора, и полностью или частично задерживают колебания, перпендикулярные к его пл-ти.

Анализатор (А)– поляризатор, используемый для исследования поляризованного света.

З-н Малюса. Пусть на поляризатор падает естественный свет амплитуды и интенсивности . Сквозь прибор пройдёт составляющая колебния с амплитудой , где φ – угол между пл-тью колебаний падающего света и пл-тью поляризатора.

Зная, что I ~ , интенсивность света I, прошедшего через поляризатор: .

Вопрос 59. Поляризация света при отражении и преломлении. З-н Брюстера.

Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков (например, на пов-ть стеклянной пластинки) отличен от нуля, отражённый и преломлённый лучи оказываются частично поляризованными. В отражённом луче преобладают колебания, перпендикулярные пл-ти падения (обозначены точками), в преломлённом луче – колебания, параллельные пл-ти падения (изображены двусторонними стрелками).

З-н Брюстера. Примем за θ угол, удовлетворяющий условию:

где θ – угол Брюстера, граница раздела двух сред – стеклянная пластина. При угле падения, равном θ, отражённый луч полностью поляризован (содержит только колебания, перпендикулярные к пл-ти падения [обозначены точками]). Степень поляризации преломлённого луча при таком угле падения достигает наибольшего значения (но остаётся поляризованным частично) , а отражённый и преломлённый лучи взаимно перпендикулярны.

Вывод: =>

Вопрос 60. Поляризация при двойном лучепреломлении. Обыкновенный и необыкновенный лучи. Распостранение света в одноосных кристаллах. Поляризационная призма и поляроид. Призма Николя.

При прохождении света через все прозрачные кристаллы наблюдается явление двойного лучепреломления: упавший на кристалл луч разделяется внутри кристалла на два луча, которые дальше будут распостраняться с разными скоростями и в различных направлениях.

Кристаллы, обладающие таким эффектом, подразделяются на одноосные (кварц, турмалин) и двуосные.

— У одноосных кристаллов один из преломлённых лучей подчиняется з-ну преломления света. Этот луч, лежащий в одной пл-ти с падающим лучом и нормалью к преломляющей пов-ти, наз-ют обыкновенным и обозначают буквой о. Для необыкновенных (е) отношение синусов угла падения и угла преломления не остаётся постоянным.

Оптическая ось – направление у одноосных кристаллов, вдоль которого обыкновенный и необыкновенный лучи распостраняются с одинаковой скоростью.

Главное сечение – любая пл-ть, проходящая через оптическую ось.

Одноосные кристаллы характеризуются:

1) показатель преломления обыкновенного луча: , где — скорость световой волны обыкновенного луча.

2) показатель преломления необыкновенного луча:

— У двуосных кристаллов оба луча необыкновенные – показатели преломления для них зависят от направления в кристалле.

Обыкновенный и необыкновенный лучи полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Пл-ти колебаний о перпендикулярна к главному сечению кристалла. В необыкновенном луче колебания светового вектора совершаются в пл-ти, совпадающей с главным сечением. По выходе из кристалла оба луча отличаются друг от друга только направлением поляризации => названия обыкновенный и необыкновенный имеют смысл только внутри кристалла.

Поляризационная призма и поляроид явл. приспособлениями, преобразующими естественный свет в линейно поляризованный:

А) Преломляясь в кристалле, обладающем св-вом двойного лучепреломления, световой луч разделяется на два луча с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. Отклоняя один из лучей в сторону, можно получить линейно поляризованный свет. Так устроены поляризационные призмы.

Б) У некоторых двоякопреломляющихся кристаллов коэф-ты поглощения света для двух взаимно перпендикулярно поляризованных лучей отличаются настолько сильно, что уже при небольшой толщине кристалла один из лучей поглощается почти полностью, и из кристалла выходит линейно поляризованный пучок света. Это явление наз-ся оптическим дихроизмом. Поляризаторы (приспособления, преобразующие естественный свет в линейно-поляризованный), изготовленные из дихроичных пластинок, наз-ся поляроидами. Поляроид не идеальный поляризатор (естественный свет после прохождения через поляризатор оказывается поляризованным частично).

Призма Николя — поляризационное устройство, в основе принципа действия которого лежат эффекты двойного лучепреломления и полного внутреннего отражения.

Принцип действия: Свет с произвольной поляризацией, проходя через торец призмы испытывает двойное лучепреломление, расщепляясь на два луча — обыкновенный, имеющий горизонтальную плоскость поляризации (AO) и необыкновенный, с вертикальной плоскостью поляризации (АE). После чего обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение о плоскость склеивания и выходит через боковую поверхность. Необыкновенный беспрепятственно выходит через противоположный торец призмы.

Использование: До появления дешёвых поляроидных плёнок призма Николя использовалась для просмотра стереофотографий, проецируемых на экран.

10. Понятие о поляризации света, виды поляризации. Способы получения поляризационного света.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равнове­роятными колебаниями светового вектора (рис. 272, а; луч перпендикулярен плоскости рисунка). В данном случае равномерное распределение векторов Е(электр. напряженность) объясняется боль­шим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов Е — одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (и, следовательно, Н(магнитная напряж)) называется естественным.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное!) направление коле­баний вектора Е (рис. 272, б), то имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор Е (и, следовательно, Н) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 272, в), называется плоскополяризованным (линейно поляризованным).

Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряжённости электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока.

Поляризатор – вещество (или устройство) служащее для преобразования естественного света в плоскополяризованный.

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоско­стью поляризации.

Плоскополяризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света — света, для которого вектор Е (вектор Н) изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпен­дикулярной лучу. Если эллипс поляризации вырождается в прямую (при разности фаз j, равной нулю или p), то имеем дело с плоскополяризованным светом, если в окружность (при j = ±p/2 и равенстве амплитуд склады­ваемых волн), то имеем дело с циркулярно поляризованным (поляризованным по кругу) светом.

Степенью поляризации называется величина

где I_max, и I_min — соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором. Для естественного света I_max=I_min и Р=0, для плоскополяризованного I_min =0 и Р=1.

Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя так называемые поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направле­ния (например, пропускающие колебания, параллельные главной плоскости поляриза­тора, и полностью задерживающие колебания, перпендикулярные этой плоскости).

Способы получения поляризационного света.

1. С помощью отражения от поверхности изотропного диэлектрика (стекло, вода и пр.). При некотором угле падения деполяризованной световой волны на такое зеркало, отраженный свет является линейно поляризованным. Тангенс угла падения в этом случае равен относительному показателю преломления вещества, из которого сделано зеркало. Этот угол называется углом полной поляризации или углом Брюстера и для стекла равен ~ 57 . Плоскость поляризации отраженной волны при падении под углом Брюстера перпендикулярна к ее плоскости падения.

2. С помощью поляризационных призм, изготовленных из прозрачных анизотропных кристаллов, или с помощью поляроидных пленок.

11. Тепловое излучение. Основные характеристики теплового излучения. Законы теплового излучения: Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Абсолютно черное тело.

Тела, нагретые до достаточно высоких температур, светятся. Свечение тел, обусловлен­ное нагреванием, называется тепловым (температурным) излучением. Тепловое излуче­ние, являясь самым распространенным в природе, совершается за счет энергии тепло­вого движения атомов и молекул вещества (т. е. за счет его внутренней энергии) и свойственно всем телам при температуре выше 0 К. Тепловое излучение характеризу­ется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При высоких температурах излучаются короткие (видимые и ультрафиолетовые) элект­ромагнитные волны, при низких — преимущественно длинные (инфракрасные).

Тепловое излучение — практически единственный вид излучения, который может быть равновесным(тело в единицу времени будет поглощать столько же энергии, сколько и излучать).

Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плот­ность энергетической светимости (излучательности) тела — мощность излучения с еди­ницы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины:

(Дж/м 2 ).

где d — энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу време­ни (мощность излучения) с единицы площади поверхности тела в интервале частот от n до n+dn.

Интег­ральную энергетическую светимость (интегральную излучательность) (ее называют про­сто энергетической светимостью тела) можно вычислить, просуммировав по всем частотам:

Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спект­ральной поглощательной способностью

показывающей, какая доля энергии, приносимой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частота­ми от n до n+dn, поглощается телом. Спектральная поглощательная способ­ность — величина безразмерная.

Тело, способное поглощать полностью при любой температуре все падающее на него излучение любой частоты, называется черным. Следовательно, спектральная поглощательная способность черного тела для всех частот и температур тождественно равна единице (). Абсолютно черных тел в природе нет, однако такие тела, как сажа, платиновая чернь, черный бархат и некоторые другие, в определенном интервале частот по своим свойствам близки к ним.

Идеальной моделью черного тела является замкнутая полость с небольшим отвер­стием О, внутренняя поверхность которой зачернена. Луч света, попавший внутрь такой полости, испытывает многократные отражения от стенок, в результате чего интенсивность вышедшего излучения оказывается практически равной нулю.

1) Отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной поглощательной способности не зависит от природы тела; оно является для всех тел универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры (закон Кирхгофа):

2) закон Стефана — Больцмана,

т.е. энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры; s — постоянная Стефана — Больцмана: ее экспери­ментальное значение равно 5,67×10 –8 Вт/(м 2 × К 4 ).

3) Немецкий физик В. Вин (1864—1928), опираясь на законы термо- и электродинами­ки, установил зависимость длины волны l_max, соответствующей максимуму функции r_l,T, от температуры Т. Согласно закону смещения Вина,

т. е. длина волны l_max, соответствующая максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости r_l,T черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре, b — постоянная Вина; ее экспериментальное значе­ние равно 2,9×10 –3 м×К.

1. Квантовая гипотеза и формула Планка. Связь формулы Планка с классическими законами теплового излучения. Понятие об оптической пирометрии.

Выражение для спектральной плотности энергетической светимости черного тела было найдено в 1900 г. немецким физиком М. Планком. Для этого ему пришлось отказаться от установившегося поло­жения классической физики, согласно которому энергия любой системы может изме­няться непрерывно, т. е. может принимать любые сколь угодно близкие значения. Согласно выдвинутой Планком квантовой гипотезе, атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями — квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте колебания (см. (170.3)): где h= 6,625×10 –34 Дж×с — постоянная Планка. Так как излучение испускается порци­ями, то энергия осциллятора e может принимать лишь определенные дискретные значения, кратные целому числу элементарных порций энергии e₀: В данном случае среднюю энергию áeñ осциллятора нельзя принимать равной kT. В приближении, что распределение осцилляторов по возможным дискретным состояниям подчиняется распределению Больцмана (§ 45), средняя энергия осциллятора а спектральная плотность энергетической светимости черного тела Таким образом, Планк вывел для универсальной функции Кирхгофа формулу которая блестяще согласуется с экспериментальными данными по распределению энергии в спектрах излучения черного тела во всем интервале частот и температур. Законы теплового излучения используются для измерения температуры раскаленных и самосветящихся тел (например, звезд). Методы измерения высоких температур, использующие зависимость спектральной плотности энергетической светимости или интегральной энергетической светимости тел от температуры, называются оптической пирометрией. Приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения в оптическом диапазоне спектра называются пирометрами. В зави­симости от того, какой закон теплового излучения используется при измерении тем­пературы тел, различают радиационную, цветовую и яркостную температуры.

1. Радиационная температура — это такая температура черного тела, при которой его энергетическая светимость R_e равна энергетической светимости R_T исследуемого тела.
2. Цветовая температура. Для серых тел (или тел, близких к ним по свойствам)

1. Яркостная температуряТ_я— это температура черного тела, при которой для определенной длины волны его спектральная плотность энергетической светимости равна спектральной плотности энергетической светимости исследуемого тела, т. е.

1. Диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект. Давление света. Эффект Комптона и его теория.

Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в тве­рдых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 289. Два электрода (катод К и анод А) в вакуумной трубке подключены к бата­рее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности, не утратившие своего значения до нашего времени: 1) на­иболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение; 2) под действи­ем света вещество теряет только отрицательные заряды; 3) сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

Поляризаторы

Поляризаторы среднего и дальнего ИК-диапазонов представляют собой тонкие пластинки с напыленными металлическими полосками — структуры, аналогичные плоским решеткам, работающим на просвет. Такие поляризаторы при расстоянии между ш грихами, равном 0,25 мкм в среднем и 4 — 10 мкм в дальнем ИК-диапазоне, позволяют получать плоскополяризованный свет со степенью поляризации 93 — 99 %.

Принцип действия решеточных поляризаторов основан на том, что компонента электрического поля падающего излучения, направленная вдоль полосок, вызывает перемещение электронов вдоль металлических полосок, сопровождающееся поглощением энергии. Часть энергии, приобретенной электронами, передается при столкновениях кристаллической решетке, где выделяется в виде джоулева тепла. Кроме того, колеблющиеся таким образом электроны излучают электромагнитную волну, одна часть которой формирует отраженную волну, а вторая, интерферируя с падающим излучением, «исключает» компоненту, параллельную полоскам, в прошедшей волне.

В перпендикулярном направлении перемещение электронов ограничено шириной полоски. Электроны практически не испускают и не поглощают энергии. Следовательно, при прохождении через рассматриваемую структуру компонента излучения, перпендикулярная штрихам решетки, не меняется [16].

Для ближнего ИК-диапазона и видимого света используются поляризаторы из турмалина или полимерных пленок (поляроидов), оказывающих такое же действие на падающее излучение. В этих материалах присутствуют вытянутые протяженные структуры, вдоль которых могут передвигаться практически свободные электроны. В результате данные структуры играют роль вышеописанных металлических штрихов, образуя эффективную решетку. Эффективность поляроидов невысока и составляет около 80%. В видимой области спектра 100%-й эффекгивно- стью обладают поляризаторы на основе эффекта двулучепреломления — призмы Плана.

Зависимость поглощения света от направления колебания вектора напряженности элекгрического ноля падающей световой волны называется дихроизмом, а материалы, обладающие таким свойством, — дихро- ичными.