Поляризация на вълни и светлина: определение, видове и приложения
Открийте поляризацията на вълни и светлина: понятие, видове и приложения — от поляризирани очила до съвременни оптични и технологични решения.
Поляризацията (също поляризация) е свойство на някои видове вълни. При поляризацията посоката на трептене на полето или на средата, през която преминава вълната, има определена ориентация спрямо посоката на разпространение. Някои вълни имат движение и в посоката на разпространение, и в посока, перпендикулярна на нея. Например във вода вълната се разпространява по повърхността, но водата се движи и нагоре–надолу по повърхността. Светлинните вълни са подобни на напречни вълни, въпреки че те също могат да се разглеждат и като частици (фотони) с определена поляризация. Звуковите вълни в газове и течности нямат поляризация, тъй като са надлъжни вълни, но в твърди тела съществуват и срязващи (схев) вълни, които могат да бъдат поляризирани. Поляризираните слънчеви очила се възползват от тези трептения, за да намалят отблясъците.
Какво означава поляризация при светлината
При електромагнитните вълни (включително видимата светлина) поляризацията описва ориентацията на електричното (и съответно магнитното) поле в равнината, перпендикулярна на посоката на разпространение. Ако електричното поле трепти в една и съща права линия се казва, че светлината е линейно поляризирана. Ако векторът обикаля кръгообразно или елипсовидно, говорим за кръгова или елиптична поляризация.
Видове поляризация
- Неполяризирана (естествена) светлина — съставена от вълни с произволни ориентации на електричното поле; пример: слънчева светлина преди разсейване или филтриране.
- Линейна поляризация — електричното поле трепти винаги в една и съща равнина или посока.
- Кръгова поляризация — векторът на електричното поле описва кръг при напредването на вълната; има дясна и лява (хендеднес) кръгова поляризация.
- Елиптична поляризация — най-общият случай; векторът описва елипса.
- Частична поляризация — комбинация от поляризирана и неполяризирана компонента; реални източници често са частично поляризирани.
Как се постига поляризация
- Преминаване през поляризиращ филтър — поляризатори (напр. полароидни филтри) пропускат само компонентата на полето, която е успоредна на техния ос.
- Отражение и разсейване — при определен ъгъл на отражение (Brewster-ов ъгъл) отразената светлина е силно поляризирана; разсейването в атмосферата дава поляризация на небесната светлина.
- Двойнозаломяване — в анизотропни кристали (напр. калцит) входящият лъч се разделя на два поляризирани лъча с различни скорости.
- Фазови плочи (quarter-wave, half-wave) — променят фазата между компонентите на електричното поле и могат да превръщат линейна поляризация в кръгова или обратно.
- Отразяване на метални или проводникови повърхности и решетки — например wire-grid поляризатори за инфрачервен диапазон.
Основни принципи и закони
- Напречен характер — при електромагнитните вълни полето е перпендикулярно на посоката на разпространение; поляризацията описва ориентацията на това поле.
- Закон на Малюс — интензитетът, преминаващ през идеален линейно поляризатор, е пропорционален на cos²(θ), където θ е ъгълът между оста на поляризатора и посоката на поляризация на входящата светлина.
- Квантова гледна точка — фотоните имат две независими състояния на поляризация за дадена посока на движение; поляризацията е измерим квантов параметър.
Приложения
- Слънчеви очила и антибликови покрития — премахват хоризонтално поляризиран отблясък от водни повърхности и пътни повърхности.
- Фотография и оптика — поляризационни филтри за засилване на контраста, намаляване на отражения и контрол на небето.
- LCD екрани — работят чрез контрол на поляризацията на светлината от течни кристали между два поляризатора.
- Микроскопия и биомедицина — поляризационна микроскопия открива структура и напрежение в образците.
- Стрес-анализ (фотоеластичност) — използва двойнозаломяващи материали за визуализация на вътрешни напрежения чрез поляризирана светлина.
- Комуникации — поляризацията се използва за разделяне на канали (polarization-division multiplexing) и за оптични изолатори в лазери и оптични системи.
- Астрономия и дистанционно сондиране — поляризацията дава информация за форма на частици, магнитни полета и разпределение на прах/аерозоли.
- 3D кино и визуални ефекти — използват се разни схеми на поляризация за отделяне на изображението за лявото и дясното око.
Допълнителни бележки
- Звуковите вълни в газове и течности обикновено са надлъжни и затова не показват поляризация; в твърди тела обаче съществуват напречни (схев) вълни, които могат да се поляризират.
- В реални системи светлината често е частично поляризирана или променя поляризацията си при преминаване през оптични компоненти и материали.
- При практическо използване е важно да се има предвид честотната зависимост и загубите на поляризаторите — не всички поляризатори работят еднакво добре във всички диапазони на спектъра.
Поляризацията е основно понятие в оптиката и електромагнетизма с широк обхват от научни и практически приложения — от прости поляризиращи слънчеви очила до сложни оптични комуникационни системи и научни инструменти.
Светлина
Светлината, отразена от лъскави прозрачни материали, е частично или напълно поляризирана, освен когато светлината е перпендикулярна на повърхността. Поляризацията е открита за първи път през 1808 г. от математика Етиен Луи Малус. Поляризационен филтър, като например чифт поляризационни слънчеви очила, може да се използва за наблюдение на този ефект чрез завъртане на филтъра, докато се гледа през него отражението от далечна хоризонтална повърхност. При определени ъгли на завъртане отразената светлина намалява или се премахва. Поляризиращите филтри премахват светлината, поляризирана под ъгъл 90° спрямо оста на поляризация на филтъра. Ако два поляризатора се поставят един върху друг под ъгъл 90° един спрямо друг, много малко светлина може да премине и през двата.
Поляризацията чрез разсейване се наблюдава при преминаването на светлината през атмосферата. Разсеяната светлина създава яркостта и цвета на ясното небе. Тази частична поляризация на разсеяната светлина може да се използва за затъмняване на небето в снимки, като се увеличава контрастът. Този ефект се наблюдава най-лесно при залез слънце, на хоризонта под ъгъл 90° от залязващото слънце. Друг лесно забележим ефект е драстичното намаляване на яркостта на изображенията на небето и облаците, отразени от хоризонтални повърхности. Ето защо поляризиращите филтри често се използват в слънчевите очила. В поляризиращите слънчеви очила се виждат и подобни на дъга шарки, причинени от зависещи от цвета двулъчеви ефекти, например в закаленото стъкло (напр. прозорци на автомобили) или в изделия, изработени от прозрачни пластмаси. Ролята, която играе поляризацията в работата на течнокристалните дисплеи (LCD), също често е видима за притежателя на поляризиращи слънчеви очила, които могат да намалят контраста или дори да направят дисплея нечетим.
Поляризационен филтър
Поляризацията на светлината е полезна, след като тя е филтрирана. Филтърът отделя светлината с един вид поляризация от другите видове. В повечето случаи дневната светлина или светлината от електрическа крушка има смесица от поляризации (лазерите са изключение). Филтърът работи така, както се опитвате да прекарате карта за игра през гребен - само ако картата е завъртяна в правилната посока, тя ще пасне. Светлината, която е завъртяна в друга посока, ще бъде блокирана от филтъра. Дисплеите с течни кристали (LCD) използват това за блокиране на светлината, за да направят буквите или цифрите на дисплея. Очилата, които имат различни поляризационни филтри за всяко око, могат да разделят светлината, предназначена за лявото и за дясното око. Това е разпространен начин за създаване на 3D филми и 3D телевизия.
В природата понякога светлината, която се отразява от дадена повърхност, има същата поляризация - това се нарича "отблясък" от прозорец или вода. Поляризационният филтър на фотоапарата ще премахне този отблясък, за да помогне да се види през прозореца или водата (или може да увеличи отблясъка, в зависимост от това как е завъртян).
Снимката вдясно е направена през поляризиращи слънчеви очила и през задното стъкло на автомобил. Светлината от небето се отразява от предното стъкло на другия автомобил под ъгъл, което я прави предимно хоризонтално поляризирана. Задното стъкло е изработено от закалено стъкло. Напрежението от термичната обработка на стъклото променя поляризацията на преминаващата през него светлина, подобно на вълнова плоча. Без този ефект слънчевите очила биха блокирали хоризонтално поляризираната светлина, отразена от стъклото на другия автомобил. Напрежението в задното стъкло обаче променя част от хоризонтално поляризираната светлина във вертикално поляризирана светлина, която може да премине през очилата. В резултат на това се вижда правилната картина на топлинната обработка.
Влияние на поляризатора върху отражението от кални плоскости. На снимката вляво поляризаторът е завъртян така, че да предава отраженията възможно най-добре; при завъртане на поляризатора на 90° (снимката вдясно) почти цялата огледално отразена слънчева светлина се блокира.
Ефектът на поляризиращия филтър върху небето в снимка. На снимката вдясно е използван този филтър.
Поляризиращите слънчеви очила разкриват напрежението в прозореца на колата (вижте обяснението в текста).
Електромагнитни
Други електромагнитни вълни също имат поляризация, но тя може да се прояви по различни начини.
Обща поляризация: Някои вълни могат да бъдат описани с електрическо поле, перпендикулярно на посоката на вълната, и се наричат TE (напречни електрически) вълни. При други магнитното поле е перпендикулярно на посоката на вълната и те се наричат TM (напречни магнитни) вълни. Това са най-общите видове поляризация на вълните. Те могат да се нарекат и вертикално или хоризонтално поляризирани вълни. Ако и електрическото, и магнитното поле са перпендикулярни на посоката на вълната, вълната се нарича ТЕМ (напречна електромагнитна). Линейната, кръговата и елиптичната поляризация са специфични случаи на ТЕМ поляризация.
Линейната, кръговата и елиптичната поляризация са три специфични вида поляризация на ТЕМ. Те не могат да се измерват в близост до антена. Далеч от антената полетата са ТЕМ, така че те могат да се използват. Лесно е да си ги представите, ако погледнете от вълната право напред.
Линейна поляризация
Погледнато по посока на вълната, електрическото поле представлява една права линия. Ако посоката на електрическото поле остава постоянна, дори ако се допусне промяна на размера или големината му, състоянието на поляризация се нарича линейно. Това е така, защото върхът на вектора на електрическото поле проследява права линия в равнина, перпендикулярна на посоката на движение на вълната. (Подобно на разклащане на въже за скачане нагоре-надолу, като гледате въжето от единия му край. Движещото се въже ще има формата на линия).
Кръгова поляризация
Погледнато по посока на вълната, електрическото поле има формата на кръг. Ако големината на електрическото поле остава постоянна, а посоката му може да се променя, състоянието на поляризация се нарича кръгово, защото върхът на електрическото поле очертава кръг в равнина, перпендикулярна на посоката на вълната напред. По-специално, кръгът може да бъде очертан по посока на часовниковата стрелка или обратно на нея (докато вълната се отдалечава). (Това е подобно на размахването на въже за скачане, което прави формата на кръг).
Елиптична поляризация
Това е подобно на кръговата поляризация, но големината се променя при въртене, образувайки елипса.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява поляризацията?
О: Поляризацията е свойство на някои видове вълни, при което вълната има движение в друга посока, както и в посоката на вълната.
В: Кой вид вълни имат поляризация?
О: Светлинните и водните вълни имат поляризация, докато звуковите вълни нямат такава.
В: Как поляризираните слънчеви очила се възползват от тези колебания?
О: Поляризираните слънчеви очила са проектирани така, че да филтрират определени светлинни вълни, които трептят в една определена посока, което помага за намаляване на отблясъците и подобряване на видимостта.
В: Светлинните вълни частици ли са или напречни вълни?
О: Светлинните вълни са както частици, така и напречни вълни.
В: Звуковите вълни имат ли поляризация?
О: Не, звуковите вълни са надлъжни и нямат поляризация.
В: Как се движи една вълна по водата?
О: Вълната се движи по повърхността на водата, но също така кара водата да се движи нагоре и надолу по повърхността.
обискирам