Поляризационно разделяне

Малко теория

Видимата светлина, благодарение на която получаваме информация за света около нас, е тесен диапазон на електромагнитното излъчване с дължини на вълните от 400 nm до 750 nm. При електромагнитна вълна векторите на силата на електрическото поле E и силата на магнитното поле H са перпендикулярни един на друг и лежат в равнина, перпендикулярна на посоката на разпространение на вълната, поради което много често в обяснителния текст остава само векторът E чертежи, се подразбира перпендикулярният вектор H. Във всички процеси на взаимодействие на светлината с материята основната роля на вектора на силата на електрическото поле E играе, поради което той се нарича светлинен вектор.

Неполяризирана светлина или естествена светлина, излъчвана от конвенционални източници (например слънчева светлина, нажежаема светлина и др.), се състои от огромен брой вълни, вибриращи с различни честоти, с различни амплитуди и с различна ориентация на светлинния вектор. Ъгловото разпределение на светлинния вектор Е е симетрично по отношение на посоката на разпространение на вълната. Схематично естествената светлина може да бъде представена от картината вляво.

Частично поляризирана светлина - същото като естественото, но разпределението на светлинния вектор Е в ъглите е асиметрично. Частично поляризираната светлина се характеризира с такава стойност като степен на поляризация - съотношението Emax към Emin. За естествено поляризираната светлина степента на поляризация е единица.

Ако по време на разпространението на електромагнитна вълна светлинният вектор запази своята ориентация, се нарича такава вълна линейно поляризирани или поляризирана в равнина. Равнината, в която светлинният вектор трепти, се нарича равнина на трептене (равнината yz на фигурата), а равнината, в която магнитният вектор трепти, се нарича равнина на поляризация (равнината xz на фигурата).

Линейно поляризираната светлина не съществува в природата. Това е математическа абстракция. Говорейки за линейно поляризирана светлина, те наистина имат предвид частично поляризирана светлина с висока степен на поляризация, т.е. когато нелинейните компоненти са незначителни. Границата на пренебрегването се задава в зависимост от проблема, който се решава.

Ако две едноцветни вълни се разпространяват по една и съща посока, поляризирани в две взаимно перпендикулярни равнини, тогава в резултат на тяхното добавяне, в общия случай, елиптично поляризирана вълна. В елиптично поляризирана вълна във всяка равнина P, перпендикулярна на посоката на разпространение на вълната (в този случай тази равнина = xy), краят на получения вектор за един период от трептенето на светлината преминава около елипса, която се нарича поляризационна елипса. Формата и размерът на поляризационната елипса се определят от амплитудите брадва и ай линейно поляризирани вълни и фазово изместване Δφ между тях. Трябва да се отбележи, че знакът за фазовото отместване прави разлика между лява и дясна поляризация. Частен случай на елиптично поляризирана вълна е кръгово поляризирана вълна (ax = ay, Δφ = ± π/2).

Поляризиращи филтри

В много кристали поглъщането на светлина силно зависи от посоката на електрическия вектор в светлинната вълна. Това явление се нарича дихроизъм. Това свойство по-специално притежават турмалиновите плочи, използвани в експериментите на Malus. При определена дебелина турмалиновата плоча почти напълно поглъща една от взаимно перпендикулярно поляризираните вълни (например Ex) и частично предава втората вълна (Ey).

В момента широко се използват изкуствени дихроични филми, които се наричат поляроиди. Поляридите почти изцяло предават "разрешената" поляризационна вълна и не предават вълната, поляризирана в перпендикулярна посока. По този начин поляроидите могат да се считат за идеални поляризиращи филтри.

Полароидите могат да се използват както за поляризиране на естествената светлина, така и за филтриране на вече поляризираната светлина. На двойка поляроиди можете ясно да демонстрирате работата им - когато завъртите един спрямо другия на 90 градуса, можете да наблюдавате почти пълно затихване на светлината, преминаваща през тях.

Промяна в поляризацията на светлината при отражение от повърхностите на прозрачни среди

Ние възприемаме медиите, които не поглъщат вълни от видимия диапазон, като прозрачни - стъкло, вода, въздух, кристал, диаманти и много други безцветни кристали. За гладките повърхности (неравностите са много по-малки от дължината на вълната) законите на отражение и пречупване са добре проучени. Оказа се обаче, че степента на отражение/поглъщане на светлинната вълна може силно да зависи от поляризацията на вълната.

Например, стъкло, експериментално беше определено, че при ъгъл на падане от 57 градуса светлинните вълни се отразяват с поляризация само в една равнина - тоест отразената светлина е напълно поляризирана (степен на поляризация 103-104). Този ъгъл се нарича Ъгълът на Брустър (а за стъклото е равно на 57 градуса).

Този ефект отдавна е научен да се използва от фотографи - ако насочите обектива под ъгъла на Брустър към стъклото, а след това като завъртите поляроида, можете напълно да премахнете отблясъците! И използвайки същата техника за водната повърхност (ъгълът на Брустър е 53 градуса), можете да уловите подводния свят. При ъгли на падане, различни от ъгъла на Брустър, светлината е само частично поляризирана и не можете да премахнете отблясъците напълно.

Промяна на посоката на поляризация на светлината в течни кристали

LCD мониторите отдавна са включени в нашето ежедневие и вероятно дори не знаете, че принципът им на действие е пряко свързан с поляризацията на светлината. LCD мониторът се състои от огромен брой малки пиксели. Всеки такъв пиксел се състои от триада цветни клетки с течни кристали (червено, зелено и синьо). Линейните поляризатори са залепени от двете страни на панела с течни кристали. На гърба има подсветка (самите LCD клетки не светят).

Преминавайки през първия поляризиращ филм, светлината се поляризира. Напрежението в течната кристална клетка я кара да се навива, като по този начин променя посоката на поляризация на поляризираната светлина. След като поляризираната светлина премине през втория поляризиран филм, интензивността намалява. Чрез контролиране на напрежението върху клетката, ъгълът на "търкаляне" на равнината на поляризация на светлината се променя. По този начин се контролира интензивността на луминесценцията на отделна клетка. 3 клетки чрез смесване образуват цвета на пиксела и целия монитор - пълното изображение.

Важна последица е фактът, че получаваме поляризирана светлина на изхода на всеки цветен LCD монитор.

Практически начини за разделяне на ъгли

За да се разделят ъгли, за изграждане на стерео система се използва комбинация или едно от горните свойства на поляризираната светлина в различни среди:

затъмняване на поляризирана светлина използване на филтри (винаги се използва за очила);
поляризирано отражение на светлината;
промяна на поляризацията вече поляризирана светлина (iZ3D, Perceiva DSD190).

Всеки ъгъл на източника е поляризиран и наблюдателят е въоръжен с компактни очила. Има два основни начина за поляризация за стерео:

линейните, линейни поляризатори за всеки ъгъл са перпендикулярни;
кръгови, филтрите за всеки ъгъл са поляризирани в различни посоки (отрицателно/положително фазово отместване);

Когато се използват линейни филтри, очилата трябва винаги да са разположени в едно положение - когато ъгълът се промени, филтрите преминават част от противоположно поляризираната светлина - образува се друг ъгъл, призрак. Освен това се получава силно взаимопроникване на ъглите дори при малки ъгли на наклон. Когато се използва кръгова поляризация, главата може да се върти свободно, което е основното й предимство пред линейната поляризация за стерео, но е по-скъпо.

Както знаете, няма идеално поляризирана светлина, което означава, че няма идеални филтри. За да се постигне по-голямо затихване на нежелан ъгъл, дебелината на поляроида се увеличава, което влияе на нивото на поглъщане на светлина като цяло - контрастът намалява, а за кръговата поляризация е още по-силен (кръговите филтри са линеен поляризатор + междинен слой за разделяне на линейно поляризирана светлина на две перпендикулярни светлинни вълни с кръгова поляризация). Добрите стъкла с линейно поляризиращи филтри със същото ниво на потъмняване на ‘паразитния’ ъгъл са няколко пъти по-добри за разлика от очилата с кръгови филтри.