ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ

       

оптич. приборы для обнаружения, анализа, получения и преобразования поляризованного оптического излучения (света), а также для разл. исследований и измерений, основанных на явлении поляризации света. Простейшие устройства для получения и преобразования поляризованного света — линейные и циркулярные поляризаторы (П), фазовые пластинки, компенсаторы оптические, деполяризаторы и пр. В более сложные конструкции и установки для количеств. поляризационно-оптич. исследований, кроме перечисленных выше устройств, входят также приёмники света, монохроматоры, разл. электронные приборы и др.

Для получения полностью или частично поляризованного света используется одно из трёх физ. явлений:

1) поляризация при отражении света или преломлении света на границе раздела двух прозрачных сред;

2) л и н е й н ы й дихроизм;

3) двойное лучепреломление.

Свет, отражённый от поверхности, разделяющей две среды с разными преломления показателями n, всегда частично поляризован. Если же луч света падает на границу раздела под углом Брюстера (см. БРЮСТЕРА ЗАКОН), то отражённый луч поляризован полностью. Недостатки отражат. П.— малость коэфф. отражения и сильная зависимость степени поляризации p от угла падения и длины световой волны. Преломлённый луч также частично поляризован, причём его p монотонно возрастает с увеличением угла падения. Пропуская свет последовательно через неск. прозрачных плоскопараллельных пластин, можно достичь того, что p прошедшего света будет значительна (см. СТОПА В ОПТИКЕ).

Среды, обладающие оптической анизотропией в области полос поглощения света, неодинаково поглощают о б ы к н о в е н н ы й и н е о б ы к н о в е н н ы й лучи (линейный дихроизм). Если толщина пластинки, вырезанной из анизотропного кристалла (с полосами поглощения в нужной области спектра) параллельно его оптической оси, достаточна, чтобы один из лучей поглотился практически нацело, то прошедший через пластинку свет будет полностью поляризован. Такие П. наз. дихроичными. К дихроичным П. относятся, в частности, поляроиды. П., действие к-рых основано на явлении двойного лучепреломления, описаны в ст. Поляризационные призмы. Они незаменимы в УФ области спектра и при работе с мощными потоками оптич. излучения.

Пластинки из оптически анизотропных материалов, вносящие сдвиг фазы между двумя взаимно перпендикулярными компонентами электрич. вектора E проходящего через них излучения, наз. ф а з о в ы м и, или в о л н о в ы м и, пластинками (ФП) и предназначены для изменения состояния поляризации излучения. Так, циркулярные или эллиптич. Ц. обычно представляют собой совокупность линейного П. и ФП. Для получения света, поляризованного по кругу (циркулярно), применяют ФП, вносящую сдвиг фазы в 90° (п л а с т и н к а ч е т в е р т ь д л и н ы в о л н ы; (см. КОМПЕНСАТОР ОПТИЧЕСКИЙ). Двулучепреломляющие ФП изготовляют из материалов как с естественной, так и с индуцированной оптич. анизотропией. Применяются также отражат. ФП (напр., р о м б Ф р е н е л я), принцип действия к-рых основан на изменении состояния поляризации света при его полном внутреннем отражении. Преимуществом отражат. ФП перед двупреломляющими явл. почти полное отсутствие зависимости фазового сдвига от длины волны. Все П. (линейные, циркулярные, эллиптич.) могут использоваться и как анализаторы. Анализ эллиптически поляризованного света производят с помощью компенсаторов разности хода.

Приборы для поляризационно-оптич. исследований отличает чрезвычайное разнообразие сфер применения, конструктивного оформления и принципов действия. Их используют для фотометрич. и пирометрич. измерений, кристаллооптич. исследований, изучения механич. напряжений в конструкциях (см. ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ), в микроскопии, в поляриметрии и сахариметрии, в скоростной фото- и киносъёмке, геодезич. устройствах, в системах оптической локации и оптической связи, в схемах управления лазеров, для физ. исследований электронной структуры атомов, молекул и тв. тел и мн. др.

Элементом большинства П. п. явл. схема, состоящая из последовательно расположенных на одной оси линейного П. и анализатора. Если их плоскости поляризации взаимно перпендикулярны, схема не пропускает свет (установка на гашение). Изменение угла между этими плоскостями приводит к изменению интенсивности проходящего через систему света по Малюса закону. Особое удобство этой схемы для сравнения и измерения интенсивностей световых потоков обусловило её преимуществ. применение в фотометрич. П. п.— фотометрах и с п е к т р о ф о т о м е т р а х (как с визуальной, так и с фотоэлектрич. регистрацией). П. п. представляют собой осн. элементы оборудования для кристаллооптич. исследований сред, обладающих оптич. анизотропией. При таких исследованиях широко применяются поляризац. микроскопы (см. МИКРОСКОП), позволяющие на основе визуальных наблюдений делать выводы о характере и величине оптич. анизотропии в-ва. Для прецизионного анализа оптич. анизотропии и её зависимости от длины волны излучения применяются автоматич. приборы с фотоэлектрич. регистрацией. Практически всегда при количеств. анализе анизотропии требуется сопоставить оптич. св-ва среды для двух ортогональных поляризаций. Это сопоставление в электронной схеме прибора обычно производится на частоте, удобной для усиления сигнала и подавления шумов. Поэтому П. п. такого назначения часто включают поляризац. модулятор (см. МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА).

П. п. используются для обнаружения и количеств. определения поляризации света. Простейшие из таких П. п.— полярископы. Предельно обнаруживаемая примесь поляризованного света определяется, в принципе, интенсивностью света, а практически достигает относит. значений =10-8.

Существ. роль в хим. и биофиз. исследованиях играет обширный класс П. п., служащий для измерения вращения плоскости поляризации в средах с естеств. или наведённой магн. полем оптич. активностью (поляриметры) и дисперсии этого вращения (с п е к т р о п о л я р и м е т р ы). Простыми, но практически очень важными П. п. явл. сахариметры — приборы для измерения содержания сахара в. растворах.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ

- оптич. приборы для обнаружения, анализа, получения и преобразования поляризов. оптич. излучения, а также для разл. исследований и измерений, использующих явление поляризации света. К простейшим устройствам для получения и преобразования поляризов. света относятся поляризаторы (П.), фазовые пластинки (ФП), оптич. компенсаторы, деполяризаторы, оптич. стопы и др.

Процессы получения и преобразования поляризов. света основаны на взаимодействиях света с веществом, нарушающих осевую симметрию светового луча. Для получения полностью или частично поляризованного света используется одно из трёх физ. явлений: поляризация при отражении или преломлении света на границе раздела двух изотропных сред с разл. показателями преломления, линейный дихроизм и двойное лучепреломление. В первом случае анизотропия взаимодействия света со средой определяется наличием выделенной плоскости падения света и различием коэф. отражения для компонент светового луча, поляризованных параллельно и перпендикулярно этой плоскости (см. Френеля

формулы). При нормальном падении света на поверхность раздела (когда положение плоскости падения не определено) аксиальная симметрия взаимодействия света со средой не нарушается и поляризац. преобразования светового пучка не происходит. В соответствии с ф-лами Френеля степень поляризации отражённой и преломлённой компонент светового пучка зависит от угла падения. Если световой луч падает на границу раздела под углом Брюстера (см. Брюстера закон), то отражённый свет оказывается полностью поляризованным. На этом основано действие отражательных П. Осн. недостаток отражат. П.- малость коэф. отражения - устраняется при использовании многослойных диэлектрич. покрытий (интерференционные П.). Однако при этом сохраняются общие для всех отражат. П. недостатки - сильная зависимость степени поляризации от угла падения (малая угл. апертура) и от длины волны света (хроматизм).

Луч, преломлённый на границе раздела, поляризуется лишь частично, но при угле падения, равном углу Брюстера, компонента луча, поляризованная в плоскости падения, проходит через границу раздела без потерь. Т. <о., пропуская свет последовательно через неск. прозрачных плоскопараллельных пластинок, можно достичь значит. степени поляризации прошедшего пучка практически без ослабления интенсивности одной из поляризац. компонент (см. Стопа в оптике).

Аксиальная симметрия взаимодействия света со средой может нарушаться вследствие оптической анизотропии самой среды. При этом в области полос поглощения света оптически анизотропные среды неодинаково поглощают обыкновенный и необыкновенный лучи (линейный дихроизм). При достаточной величине разности соответствующих оптич. плотностей одна из поляризац. компонент светового пучка может поглотиться практически полностью, и прошедший через среду свет приобретает высокую степень линейной поляризации. Такие П. наз. дихроичными. Наиб. эффективными и практически единственными применяемыми в наст. время дихроичными П. являются поляроиды. Достоинствами поляроидов являются компактность, большая угл. апертура и высокая поляризующая способность, недостатками - низкая лучевая прочность и сильный хроматизм.

В области прозрачности для оптически анизотропных сред (кристаллов) характерно двойное лучепреломление, проявляющееся, в частности, в различии направлений групповых скоростей двух ортогонально поляризованных компонент распространяющегося по кристаллу светового луча. При пропускании узкого светового луча через соответствующим образом вырезанную пластинку оптически анизотропного кристалла на выходе из пластинки (при достаточной величине двупреломле-ния) световой луч расщепится на два луча, линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 1).

Рис. 1. Поляризация света с помощью двупреломляю-щего кристалла: направления электрических колебаний указаны стрелками (колебания в плоскости рисунка) и точками (перпендикулярно плоскости рисунка); о и е - обыкновенный и необыкновенный лучи.

Этот способ применяется для поляризации узконаправленных пучков малого сечения (напр., излучение лазера) и требует использования материалов с высоким двупреломленнем (типа исландского шпата). Более совершенными П., основанными на явлении двойного лучепреломления, служат поляризационные призмы (ПП), проходя через к-рые две поляризац. компоненты светового луча в общем случае не сохраняют направления распространения, отклоняясь на разл. углы. В однолучевых ПП одна из компонент луча испытывает полное внутреннее отражение на наклонной границе раздела составных частей призмы и обычно гасится её чернёной поверхностью. Вторая поляризац. компонента проходит через призму без изменения направления распространения. Двулучевые ППрасщепляют исходный световой пучок на два линейно поляризованных, распространяющихся в разл. направлениях. ПП характеризуются широким спектральным диапазоном рабочих частот, высокой поляризующей способностью и лучевой прочностью.

Циркулярные и эллиптич. П. существенно отличаются от линейных из-за отсутствия сред с циркулярной пли эллиптич. анизотропией, сравнимой по величине с линейной. Обычно циркулярный П. представляет собой комбинацию последовательно расположенных линейного П. и четвертьволновой ФП, вносящей фазовый сдвиг между двумя ортогонально поляризованными компонентами световой волны и преобразующей линейно поляризованный свет в циркулярно поляризованный. Двулучепреломляющие ФП изготовляются из материалов как с естественной, так и с индуцированной оптич. анизотропией; отражат. ФП (напр., ромб Френеля, рис. 2) - из оптически изотропных материалов, принцип их действия основан на изменении поляризац. состояния света при полном внутр. отражении. Преимуществом отражат. ФП перед двупреломляющими является слабая зависимость фазового сдвига от длины волны (ахроматизм).

Рис. 2. Ромб Френеля. Значения углов указаны для отношения показателей преломления двух сред, равного 1,51.

Все П. (линейные, циркулярные, эллиптич.) могут использоваться и как анализаторы; при этом последовательность расположения ФП и линейного П. в составных эллиптич. и циркулярных П. инвертируется.

Деполяризация света обычно достигается не путём истинного устранения корреляции между его поляризац. компонентами (это практически невозможно), а путём получения излучения, к-рое в конкретных условиях данной задачи не проявляет своих поляризац. свойств. В качестве деполяризаторов для световых пучков широкого спектрального состава могут использоваться сильнохроматич. ФП, создающие излучение со спектрально-осциллирующим состоянием поляризации. При измерениях с невысоким временным разрешением деполяризация может достигаться ВЧ-модуля-цией состояния поляризации пучка. При работе с широкими световыми пучками деполяризаторами могут служить сильнохроматич. ФП переменной толщины (напр., клиновидные), создающие усредняющийся по всему сечению тонкий полярнзац. рельеф светового пучка. В нек-рых случаях в качестве линейного деполяризатора, устраняющего лишь линейную поляризац. анизотропию светового луча, может применяться циркулярный П., а в качестве циркулярного деполяризатора - линейный П.

Для поляризац. модуляции света обычно используются эффекты наведённой оптич. анизотропии ( Керра эффект, Поккельса эффект, Фарадея эффект, фотоупругость )в условиях модуляции внеш. возмущения (электрич. поля, маги, поля, деформации), приложенного к оптич. среде. Возникающая при этом модуляция фазовых соотношений между поляризац. компонентами светового пучка приводит к модуляции его поляризац. состояния при сохранении полной интенсивности. Поляризац. модуляторы служат основой для мн. модуляторов интенсивности света.

Приборы для поляризац.-оптич. исследований, несмотря на их многообразие, основаны на преобразовании поляризац. характеристик излучения в амплитудные. Любой фотоприёмник (в т. ч. и глаз) реагирует на интенсивность излучения, и конечным этапом поляризац. измерений является измерение интенсивности света. Простейшее преобразование поляризац. состояния света (азимута плоскости поляризации ) в интенсивность описывается Малюса законом и реализуется при пропускании линейно поляризованного излучения через линейный анализатор.

Среди сложных П. п. с визуальной регистрацией наиб. известен поляризационный микроскоп, широко применяемый для определения величины и характера анизотропии кристаллич. сред и жидких кристаллов. Для изучения механич. напряжений в конструкциях используется поляризац.-оптич. метод исследования напряжений.

Для прецизионных измерений оптич. анизотропии и её зависимости от длины волны служат автоматич. П. п. с фотоэлектрич. регистрацией. Количеств. анализ анизотропии сводится к сопоставлению оптич. свойств среды в двух ортогональных поляризациях путём поляризац. модуляции света. При измерениях оптич. анизотропии, наведённой в среде внеш. возмущением, обычно модулируют это возмущение, и измерение сводится к регистрации противофазной модуляции интенсивностей двух поляризац. компонент пучка на частоте модуляции возмущения. Для повышения чувствительности измерений часто применяют балансные схемы фоторегистрацип (рис. 3).

Рис. 3. Балансная схема регистрации разности интенсивностей двух ортогонально поляризованных компонент светового луча.

Две поляризац. компоненты пучка разделяются с помощью ФП и двулу-чевой ПП и поступают на два фотоприёмника, включённых так, что их фототеки на выходе схемы (нагрузке R) вычитаются. При этом регистрируемый сигнал противофазной модуляции интенсивностей компонент удваивается, а сфазиров. колебания интенсивности, связанные с флуктуациями интенсивности света, скомпенсируют друг друга, что значительно улучшает отношение сигнал/шум.

П. п. для измерений вращения плоскости поляризации в средах с естественной и наведённой магн. полем оптич. активностью ( поляриметры )и дисперсии этого вращения ( спектрополяриметры )играют существ. роль в физ. исследованиях твёрдых тел, а также в хим. и биол. исследованиях. Применение в поляриметрах лазерных источников света позволило достичь чувствительности к углу вращения плоскости поляризации До град.

Для обнаружения и количеств. определения поляризации света используются полярископы. Предельно обнаруживаемая примесь поляризов. света зависит от его интенсивности и практически достигает относит. значений

П. п. широко применяются в науч. исследованиях электронной структуры атомов, молекул и твёрдых тел, электрич. и магн. свойств разл. сред, поверхностных явлений и оптич. свойств тонких плёнок (см. Эллипсо-метрия), для регистрации статич. механич. напряжений, а также акустич. и ударных волн в прозрачных средах, при изучении диффузии макромолекул в растворах, для определения содержания оптически активных молекул в растворах (см. Сахариметрия )и т. д. Принципы поляризац. оптики используются в приборах для геодезич. измерений, в системах оптической локации н оптической связи, в схемах управления лазерным излучением, в скоростной фото- и киносъёмке и пр. в. с. Запасский.

Лит. см. при ст. Поляризация света.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.