Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 17 марта 2019 года; проверки требуют 14 правок.
Изменение интенсивности светового потока в зависимости от взаимной ориентации двух линейных поляризаторов
Линейные поляризаторы основаны на использовании одного из трёх физических явлений. Одно из них — двойное лучепреломление, другое — линейный дихроизм и третье — поляризация света, происходящая при отражении на границах раздела сред. Круговые поляризаторы обычно представляют собой совокупность линейного поляризатора и четвертьволновой пластинки (оптического компенсатора).
Поляризаторы используются при изучении распределений механических напряжений в прозрачных объектах с помощью поляризованного света, при изучении структуры веществ, в сахариметрии и в особенности в кристаллооптике. Широко применяются в фотографических поляризационных светофильтрах и астрономии.
Поляризационный светофильтр в фотографии
Поляризационный светофильтр в фотографии — поляризатор, предназначенный для устранения нежелательных эффектов (бликов, отражений), уменьшение яркости (с одновременным повышением насыщенности) неба и др. или для достижения художественных целей. Конструктивно оформляется для совместного использования с фотографическими аппаратами. Выглядит как обыкновенный светофильтр, но имеет две части, примерно одинаковой толщины — переднюю и заднюю, которые могут свободно поворачиваться друг относительно друга. Задняя часть фильтра навинчивается на объектив, а поворотом передней половины, в которой собственно и расположен поляризатор, на тот или иной угол выбирается нужный эффект.
В передней половине поляризационного светофильтра может присутствовать внутренняя резьба для крепления объективной крышки, резьбовой бленды, или других светофильтров. У бликующих объектов разные их части могут давать блики с разными углами поляризации, которые не представляется возможным одновременно подавить только одним фильтром. Кроме того, бликующих объектов в кадре может оказаться много. В таких ситуациях используются несколько скрученных последовательно поляризационных светофильтров, причем, все кроме заднего, должны быть обязательно не круговой, а линейной поляризации, так как оптический компенсатор, имеющийся в фильтре с круговой поляризацией, делает невозможным достижение эффекта от остальных поляризационных светофильтров, которые будут расположены за ним ближе к объективу.
Оптическая плотность поляризационных светофильтров обычно лежит в пределах от двух до пяти.
Цветовые искажения могут присутствовать. В частности, некоторые фильтры имеют спад до одного стопа в сине-фиолетовой области, из-за чего заметно «зеленят» картинку.
Также недорогие поляризационные светофильтры, чаще чем цветные, могут негативно влиять на воспроизведение мелких деталей. Поляризационный светофильтр, наряду с «защитным» УФ-блокирующим фильтром, является наиболее используемым светофильтром в фотографии.
Устройство фильтра с круговой поляризацией
Различие волн с круговой и плоской поляризацией
Фильтр с круговой поляризацией дополнительно имеет еще и оптический компенсатор — четвертьволновая фазовая пластинка (так же применяется в интерферометрах, дает возможность определить разность хода двух пучков лучей). В ней используется явление двойного лучепреломления в кристаллах. Скорости «обыкновенного» и «необыкновенного» лучей в кристалле (а следовательно, и оптические длины их путей) различны, поэтому при прохождении через кристалл они приобретают разность хода, определяемую его толщиной. Пластинка ставится по пути следуемого луча, за поляризатором, и при сборке поворачивается так, чтобы её оптические оси совпали с осями поляризации. В этом положении четвертьволновая пластинка превращает линейно поляризованный свет в свет с круговой поляризацией (или наоборот), сдвигая разность фаз на 90 градусов.
Так устроены поляризаторы всех производителей, разница как в качестве, так и в цене происходит из-за дополнительных слоёв: просветляющих, защитных, водоотталкивающих.
Типы и применение
Пример использования поляризационного фильтра в фотографии (в качестве эффективного сокращения яркостного диапазона, усиления контраста на небосводе и небольшого побочного влияния на цветность). Максимальный эффект достигается при съёмке в направлении, перпендикулярном направлению на Солнце
У этого термина существуют и другие значения, см. Поляризация.
Схематическое изображение ориентации диполей в диэлектрической среде под воздействием электрического поля
Поляриза́ция диэле́ктриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля.
Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл данного вектора — это дипольный момент, отнесённый к единице объёма диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией (и получается, что один термин обозначает и явление, и его количественный показатель).
Различают поляризацию, наведённую в диэлектрике под действием внешнего поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках при отсутствии внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.
Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объёме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле c напряжённостью , направленное против внешнего поля с напряжённостью . В результате напряжённость поля внутри диэлектрика будет выражаться равенством ,
Аналогом электрической поляризации в сфере магнетизма является эффект намагничивания, характеризуемый вектором намагниченности.
В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:
Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты.
Сравнительные параметры различных типов поляризации
Зависимость вектора поляризации от внешнего поля
В постоянном или достаточно медленно меняющемся от времени внешнем электрическом поле при достаточно малой величине напряженности этого поля, вектор поляризации (поляризованность) P, как правило (исключение составляют сегнетоэлектрики), линейно зависит от вектора напряженности поля E:
(в системе СГС),
(в Международной системе единиц (СИ); дальше формулы в этом параграфе приводятся только в СГС, формулы СИ и дальше отличаются лишь электрической постоянной )
где — коэффициент, зависящий от химического состава, концентрации, структуры (в том числе от агрегатного состояния) среды, температуры, механических напряжений и т. д. (от одних факторов более сильно, от других слабее, конечно же и в зависимости от диапазона изменений каждого), и называемый (электрической) поляризуемостью (а чаще, по крайней мере для того случая, когда он выражается скаляром — диэлектрической восприимчивостью) данной среды. Для однородной среды фиксированного состава и структуры в фиксированных условиях её можно считать константой. Однако в связи со всем сказанным выше вообще говоря зависит от точки пространства, времени (явно или через другие параметры) и т. д.
где величины со значками соответствуют компонентам векторов и тензора, соответствующим трем пространственным координатам.
Можно заметить, что поляризуемость — одна из наиболее удобных физических величин для простой иллюстрации физического смысла тензоров и применения их в физике.
Как и для всякого симметричного невырожденного тензора второго ранга, для тензора поляризуемости можно выбрать (если среда неоднородная — то есть тензор зависит от точки пространства — то по крайней мере локально, если же среда однородная, то и глобально) т. н. собственный базис — прямоугольные декартовы координаты, в которых матрица становится диагональной, то есть приобретает вид, при котором из девяти компонент отличными от нуля являются лишь три: , и . В этом случае, обозначив для простоты как , вместо предыдущей формулы получаем более простую
Величины называют главными поляризуемостями (или главными диэлектрическими восприимчивостями). Если среда в отношении поляризуемости изотропна, то все три главные поляризуемости равны друг другу, а действие тензора сводится к простому умножению на число.
В сильных полях
Характер появляющейся нелинейности и характерная величина поля, с которой нелинейность становится заметной, зависит от индивидуальных свойств среды, условий и т.п.
Можно выделить их связь с типами поляризации, описанными выше.
Так для электронной и ионной поляризации при полях, приближающихся к величинам порядка отношения потенциала ионизации к характерному размеру молекулы U0/D, характерно сначала ускорение роста вектора поляризации с ростом поля (увеличение наклона графика P(E)), затем плавно переходящее в пробой диэлектрика.
Дипольная (Ориентационная) поляризация при обычно несколько более низких значениях напряженности внешнего поля — порядка kT/p (где p — дипольный момент молекулы, T — температура, k — константа Больцмана) — то есть когда энергия взаимодействия диполя (молекулы) с полем становится сравнимой со средней энергией теплового движения (вращения) диполя — наоборот начинает достигать насыщения (при дальнейшем росте напряженности поля должен рано или поздно включиться сценарий электронной или ионной поляризации, описанный выше, и кончающийся пробоем).
В зависящем от времени поле
Зависимость вектора поляризации от быстро меняющегося во времени внешнего поля достаточно сложна. Она зависит от конкретного вида изменения внешнего поля со временем, быстроты этого изменения (или, скажем, частоты колебаний) внешнего поля, превалирующего механизма поляризации в данном веществе или среде (который тоже оказывается разным для разных зависимостей внешнего поля от времени, частот и т. д.).
При достаточно медленном изменении внешнего поля поляризация в целом происходит как в постоянном поле или очень близко к этому (впрочем то, насколько медленным должно быть для этого изменение поля, зависит, и зачастую крайне сильно, от превалирующего типа поляризации и других условий, например температуры).
Одним из наиболее распространенных подходов к изучению зависимости поляризации от характера меняющегося во времени поля является исследование (теоретическое и экспериментальное) случая синусоидальной зависимости от времени внешнего поля и зависимости вектора поляризации (также меняющегося в этом случае по синусоидальному закону с той же частотой), его амплитуды и сдвига фазы от частоты.
Каждому механизму поляризации в целом соответствует тот или иной диапазон частот и общий характер зависимости от частоты.
Диапазон частот, в котором имеет смысл говорить о поляризации диэлектриков как таковой, простирается от нуля где-то до ультрафиолетовой области, в которой становится интенсивной ионизация под действием поля.
- dic.academic.ru/dic.nsf/natural_science/10203
- dic.academic.ru/dic.nsf/polytechnic/7019
Как было указано
выше, поляризаторами называют устройства,
позволяющие получить поляризованный
свет из естественного. В качестве
поляризаторов можно использовать стопу
пластин из диэлектрика (стекла).
Двоякопреломляющие
кристаллы непосредственно не используются
в качестве поляризаторов, так как
обыкновенный и необыкновенный лучи
слишком мало разведены и даже перекрываются.
Однако из этих кристаллов изготавливают
специальные поляризационные призмы.
Рассмотрим
наиболее распространенную призму,
предложенную У. Николем (призма
Николя,
или просто николь).
Николь
представляет собой призму из исландского
шпата, разрезанную по диагонали и
склеенную канадским бальзамом (смола
канадской пихты). Показатель преломления
канадского бальзама n
= 1,550;
это значение лежит между показателями
преломления исландского шпата для
необыкновенного и обыкновенного лучей.
Это позволяет, подобрав определенным
образом углы призмы, обеспечить полное
отражение обыкновенного луча на границе
с канадским бальзамом. Отраженный
обыкновенный луч поглощается зачерненной
нижней гранью или выводится из кристалла.
Необыкновенный луч выходит из николя
параллельно нижней грани.
В
поляроидах
поляризованный луч получают благодаря
двойному лучепреломлению и дихроизму
(неравномерному поглощению одного из
лучей в турмалине или герапатите). Так,
в пластинке турмалина толщиной около
1 мм обыкновенный луч практически
полностью поглощается, и вышедший свет
является плоскополяризованным.
Из мелких кристалликов
герапатита выкладывают значительные
площади на целлулоидной пленке. Для их
ориентации используют электрическое
поле. Такие устройства называют
поляроидами.
Основным недостатком
поляроидов по сравнению с николем
являются их плохие спектральные
характеристики. Белый свет после
прохождения этих поляризационных
устройств становится окрашенным, в то
время как николь прозрачен для всей
видимой част спектра. Достоинство
поляроидов – большая поверхность,
позволяющая использовать широкие
световые пучки.
Устройство,
служащее для получения поляризованного
света, называется поляризатором,
а для анализа поляризованного света
применяют анализатор
(второй поляризатор). Интенсивность
света при прохождении через систему
«поляризатор – анализатор» подчиняется
закону Малюса:
где:
IА
– интенсивность поляризованного света,
вышедшего из анализатора; IП
– интенсивность света, вышедшего из
поляризатора (падающего на анализатор);
α
– угол между главными плоскостями
поляризатора и анализатора.
Как
видно из закона Малюса, при повороте
анализатора относительно луча падающего
поляризованного света, интенсивность
вышедшего света изменяется от нуля до
I0.
Если при
повороте анализатора относительно
падающего луча как оси вращения
интенсивность света, прошедшего через
анализатор, не изменяется, то свет может
быть естественным (или поляризованным
по кругу). Если же интенсивность изменяется
от максимума до нуля, то падающий свет
– плоскополяризованный.
Соседние файлы в папке Тексты лекций физика
Как получить
поляризованный свет? Как известно,
одиночный атом излучает поляризованный
свет. Но этот свет очень слабый и
непригоден для практического использования.
Для этого нужен свет, излучаемый многими
атомами. Но на практике невозможно в
естественном источнике света заставить
все атомы излучать свет в одной и той
же плоскости поляризации. В данной
ситуации существует единственный выход:
пропустить свет через такое устройство,
при прохождении через которое все
плоскости поляризации будут отсечены
кроме одной, которая совпадает с
плоскостью пропускания данного
устройства.
Такое устройство называется поляризатором.
Таким образом, если естественный, и
следовательно неполяризованный свет
пропустить через поляризатор, то он на
выходе станет поляризованным (рис.3)
Как известно, глаз не может различить,
где поляризован свет, а где нет. Как же
на практике отличить поляризованный
свет от неполяризованного?
Для этого нужно взять ещё одно такое
же устройство и поставить его на пути
поляризованного луча света. Если
плоскость пропускания совпадает с
плоскостью поляризации луча света, то
луч пройдёт весь, практически без потерь.
Но если плоскость пропускания будет
перпендикулярна плоскости поляризации,
то луч света вообще не пройдёт. Такое
устройство называется анализатором.
С помощью анализатора можно узнать,
поляризован свет или нет. Нужно только
пропустить луч света через анализатор
и при этом вращать его вокруг оси,
совпадающей с падающим лучом. Если луч
поляризован, то его интенсивность будет
на выходе изменяться от нуля до максимума
в зависимости от угла поворота. Если
падающий луч не является поляризованным,
то при вращении анализатора интенсивность
вышедшего луча изменяться не будет.
Поляризатор и анализатор устроены
совершенно одинаково, различаются
только функцией и их можно менять
местами.
Интенсивность выходящего из анализатора
света подчиняется закону Малюса:
I = I0
cos2рис.4)
Здесь I –
интенсивность поляризованного света,
т.е. света, проходящего между поляризатором
и анализатором; I0
— интенсивность света, вышедшего
из анализатора; угол
между плоскостями пропускания поляризатора
и анализатора.
Как же
осуществляется поляризация света?
Оказывается, что некоторые монокристаллы
обладают оптической анизотропией. Слово
«анизотропия» обозначает неодинаковость
каких – либо свойств по различным
направлениям. Например, анизотропия
прочности, означает, что в одном
направлении тело разорвать легче, чем
в другом; анизотропия теплопроводности
выражается в том, что тело в одном
направлении тепло проводит лучше, чем
в другом. Оптическая анизотропия
выражается в том, что скорость
распространения света в теле в различных
направлениях будет иметь различные
значения. Кроме того, свет в различных
направлениях будет неодинаково
поляризоваться. Оптической анизотропией
обладают монокристаллы некоторых
веществ: исландский шпат, турмалин,
кварц, герапатит и некоторые другие.
Рассмотрим исландский шпат, который
является наиболее ярким представителем
данного класса кристаллов. Если в такой
кристалл пустить естественный луч
света, то в кристалле он разделится на
два луча. Один из них подчиняется законам
преломления и называется «обыкновенным»
и обозначается буквой о. Другой луч
не подчиняется законам преломления и
называется «необыкновенным» и
обозначается буквой е. Оба луча в
кристалле распространяются с различными
скоростями и при выходе из кристалла
они оба оказываются полностью
поляризованными, причём, их плоскости
поляризации взаимно перпендикулярны.
Однако в кристалле существует
направление, в котором двойного
лучепреломления не происходит, поляризация
света тоже не происходит и оба луча,
обыкновенный и необыкновенный движутся
вместе и с одинаковыми скоростями. Такое
направление называется оптической осью
кристалла. На рис.5 она изображена
пунктиром.
Кристаллы бывают одноосные и двухосные.
Они также бывают положительными
Из истории известно, что в давние
времена, когда моряки впервые прибыли
на остров Исландия, они там обнаружили
кристаллы, при взгляде через которые
все предметы казались раздвоенными.
Это и было следствием двойного
лучепреломления. В дальнейшем кристаллы
исландского шпата нашли широчайшее
применение в оптике.
Плоско
поляризованный свет можно получить из
естественного света с помощью приборов,
называемых поляризаторами.
Поляризаторы
свободно
пропускают колебания, параллельные
плоскости, которая называется плоскостью
поляризатора,
и
полностью
или частично задерживают колебания,
перпендикулярные к этой плоскости.
Поляризатор, задерживающий перпендикулярные
к его плоскости колебания только
частично, называется
несовершенным.
Просто
поляризатором называется идеальный
поляризатор,
полностью задерживающий колебания,
перпендикулярные к его плоскости, и не
ослабляющий
колебаний, параллельных плоскости.
На
выходе из несовершенного поляризатора
получается свет, в котором колебания
одного
направления преобладают над колебаниями
других направлений. Такой свет называется
частично
поляризованным.
Его можно рассматривать как смесь
естественного и плоско
поляризованного света. Частично
поляризованный свет, как и естественный,
можно представить
в виде наложения двух некогерентных
плоско поляризованных электромагнитных
волн с взаимно перпендикулярными
плоскостями
колебаний вектора напряженности
электрического поля. В случае естественного
света интенсивность
этих волн одинакова, а в случае частично
поляризованного — разная.
Если
пропустить частично поляризованный
свет через поляризатор, то при вращении
поляризатора
вокруг направления луча интенсивность
прошедшего света будет изменяться
в пределах от максимального
Imax
до минимального
Imin
значений. Изменение интенсивности от
одного из этих значений к другому
будет совершаться при повороте
поляризатора на угол, равный p/2,
т.е. за один полный оборот два
раза будет достигаться максимальное и
два раза минимальное значение
интенсивности. Величина
P
= (Imax
– Imin)/(
Imax
+ Imin) (12.3)
называется
степенью
поляризации света.
Для плоско поляризованного света Imin
=
0 и Р
=
1; для естественного света Imax
= Imin
и Р
= 0. Т.е.
любой естественный луч света не
поляризован. К эллиптически поляризованному
свету понятие степени поляризации не
применимо (у такого света колебания
вектора напряженности электрического
поля
Рассмотрим
прохождение
света через два поляризатора. Поставим
на пути естественного луча два поляризатора
Р1
и
Р2,
плоскости поляризации которых образуют
угол j.
Из первого поляризатора выйдет плоско
поляризованный свет, интенсивность
которого
I0
составляет половину интенсивности
естественного света, т.е. I0
=
(1/2)Iест.
Тогда
сквозь поляризатор
Р2
пройдет
составляющая колебания с амплитудой А
= а0
соsj.
Следовательно,
интенсивность
прошедшего света I
I
= I
0
соs2,
(12.4)
которое
представляет собой закон
Малюса.
Таким
образом, интенсивность света, прошедшего
через два поляризатора,
равна
Максимальная,
интенсивность, равная (1/2)Iест
получается при j
= 0 (поляризаторы параллельны). При
j
= p/2
интенсивность равна нулю –скрещенные
поляризаторы света не пропускают.
В
случае света, поляризованного по кругу,
вращение поляризатора не сопровождается
(как и в случае естественного света)
изменением интенсивности света,
прошедшего через
поляризатор.
1.
Какие возможны состояния поляризации
света?
2.
Что называется естественным светом?
плоскополяризованным
светом?
частично поляризованным светом?
эллиптически поляризован-
3.
Как изменяется
интенсивность света за поляризатором
при его
вращении
вокруг пучка естественного света?
4.
Как практически
отличить плоскополяризованный свет от
есте-
5.
Что такое степень поляризации света?
6.
Почему в законе Малюса интенсивность
света, прошедшего через анализатор,
пропорциональна cos2φ?
Соседние файлы в папке физика
