Ugrás a tartalomhoz

Optika és látórendszerek

Sánta Imre (2012)

EDUTUS Főiskola

Polarizáció, polarizátorok, a polarizáción alapuló eszközök

Polarizáció, polarizátorok, a polarizáción alapuló eszközök

A transzverzális hullámok a hullám terjedési irányára merőlegesen rezegnek. Ilyenek például az egy húron terjedő hullámok vagy a szabad elektromágneses hullámok, és így a fény is. A longitudinális hullámok a terjedési iránnyal párhuzamosan rezegnek. Például ilyen a legtöbb hanghullám.

A terjedés irányára merőleges síkban természetes fény esetén nem tapasztalunk kitüntetett irányt, úgy látszik, mintha minden irányban egyenlő gyakorisággal véletlenszerűen rezegne a fényvektor. Ha viszont a terjedés irányára merőleges síkban valamilyen szabályosság érvényesül, akkor a fényt polárosnak nevezzük. Így polarizációról beszélhetünk, ha a fényhullámok csak egy meghatározott síkban rezegnek. Ha a rezgés iránya nem változik, lineárisan poláros a fény. Ha azonban a fényvektor a terjedés egy adott helyén egyenletes körmozgást végez, cirkulárisan poláros rezgésnek hívjuk, de lehet az is, hogy az elektromos térerősség vektorának végpontja ellipszist ír le. Ez az elliptikusan poláros fény.

A fény polarizációjával kapcsolatos első leírás Erasmus Bartholinus dán professzor nevéhez fűződik, aki egy átlátszó kristályon keresztül nézve meglepve tapasztalta, hogy a tárgyaknak kettős képe látszik. (2.6.1.1. ábra)

2.6.1.1. ábra

Ennek magyarázata, hogy a kristályba belépő fény két külön nyalábra bomlik, amelyek közül az egyik – az úgynevezett ordinárius sugár –, mely követi a törés törvényét, a másik, a rendellenes, vagy extraordinárius sugár, amelyik nem.

A lineárisan poláros fény előállításának legegyszerűbb módja a fényvisszaverődésen alapul. Ha a fény beesési szöge egy dielektrikum felületén megegyezik az ún. Brewster-szöggel, akkor a visszaverődő fény lineárisan poláros lesz.

2.6.1.2. ábra

Ha ettől a szögtől eltér, akkor a visszavert fény részben poláros lesz. A visszaverődésen alapuló polarizációt Étienne Louis Malus, Bonaparte Napóleon hadmérnöke fedezte fel. Malus a különböző anyagok sarkítási szögét különbözőnek találta. Ő mondta ki általánosan azon tételt, hogy minden polarizációnál két polarizált sugár keletkezik, melyeknek polarizációsíkjai egymásra merőlegesek.

Polarizált fény előállítható megfelelő szögben csiszolt mészpátkristállyal, amelyet kettévágnak, majd a vágási felületeknél kanadabalzsammal összeragasztanak (Nicol-prizma).

2.6.1.3. ábra

A prizmára eső természetes fény a törőfelületen kettősen megtörik. A rendes sugár a kanadabalzsamon teljes visszaverődést szenved, és oldalra eltérül, míg a rendellenes sugár, amely már polarizált, kilép a kristályból.

A lineárisan poláros fény előállításának harmadik módja a dikroizmus jelenségét használja fel. Dikroikus az a kettőstörő kristály, amely a törés során keletkező két fénysugarat különböző mértékben nyeli el.

Ha tehát egy üveg vagy műanyag lapra ilyen kristályokból álló vékony réteget visznek fel, a lap a beeső polarizálatlan fényből csak az azonos irányú poláros rezgéseket engedi át. Ez az ún. polaroid szűrő.

Az emberi szem nem tudja megkülönböztetni a poláros fényt a polarizálatlantól, de etológiai kísérletek kimutatták, hogy – mivel az égboltról jövő fény a szóródás miatt poláros, és a polarizáció síkja a Nap helyzetétől függ –, a rovarok ezt irány meghatározására képesek használni. A méhek szeme képes a polarizáció síkját is meghatározni, és ez alapján tájékozódva visszatalálni a kaptárhoz. Erre akkor is képesek, ha a kék égboltnak csak egy kis darabja látható. 1967-ben Thorkild Ramskou egy dán archeológus az izlandi Hrafns Saga kutatása során azt feltételezte, hogy a viking hajósok felhasználhatták a polarizáció jelenségét navigációra. A sagákban említenek egy „napkövet”, amelyet felhős időben az ég felé tartottak, és azon a zenit felé átnézve határozták meg a követendő irányt. Nem bizonyítható a feltételezés, de az tény, hogy Izlandon és Norvégia partjainál volt megtalálható a kordierit, de ilyen tulajdonságú a víztiszta, nagy kristályos kalcit: az izlandi pát, amely egy kettős törésre képes kristály.

Polárszűrőket használnak napszemüvegekben és a fényképezéskor a víz- vagy üvegfelületekről visszaverődő zavaró csillogás kiszűrésére, illetve az égbolt kontrasztosságának növelésére

Malus-féle kísérlet

2.6.1.4. ábra

A Malus-féle kísérletnél egy fixen elhelyezett és egy forgó korongra helyezett tükörrel bizonyítható a polarizáció jelensége. Ha a belépő és kilépő fénysugár egy síkban van, a tükrök síkja egymással párhuzamos, és a belépő sugárral 57°-os szöget zárnak be, akkor a körbeforgatás következtében a kilépő és belépő intenzitások közötti viszonyt a Malus-féle törvény írja le:

A Malus-féle kísérlet igazolja, hogy a fény polarizálható, és bizonyíték arra, hogy a fény transzverzális hullám.

Brewster törvénye

Dielektrikumról visszaverődő természetes fény – a merőleges beesést kivéve – mindig legalábbis részlegesen poláros.

Egy átlátszó, sík üvegfelületre ~57°-os beesési szögben érkező fény visszaverődve síkban polárossá válik. A visszavert fénysugár elektromos térerősségvektorai (E) az üveglemez felületével párhuzamos egyenes mentén rezegnek, az üveg felületére merőleges rezgések kioltódnak. Ezt a beesési szöget Brewster- vagy polarizációs szögnek nevezik. (2.6.1.5. ábra)

2.6.1.5. ábra

Brewster törvénye (1815) szerint, ha egy átlátszó közegre természetes fény esik, és a megtört és visszavert sugarak éppen egymásra merőlegesek, a visszavert fény teljesen poláros, és a rezgési síkja merőleges a beesési síkra. A Brewster-szög és a törésmutató kapcsolata meghatározható a Snellius–Descartes-törvény alkalmazásával.

Brewster 18 különféle anyagot vizsgált meg, s bár első kísérleteinél az elkövetett hibák 25–32 szögmásodpercre rúgtak, tekintettel a kísérletek nagy számára, a törvény helyességét már akkor sem lehetett kétségbe vonni.

Ez a jelenség lehetőséget ad lineárisan poláros fény egyszerű előállítására, bár a poláros, visszavert sugárzás intenzitása nem túl nagy (levegő-üveg határfelületnél mintegy 4%).

A jelenség másik tipikus alkalmazása az, hogy a reflektált fény polarizációjára merőleges polarizációjú fény viszont 100%-ban, reflexiós veszteség nélkül áthalad. A folytonos lézerekben ezért az aktív közeget mindig Brewster-szögben lévő felületekkel határolják (2.6.2.2. ábra), különben a reflexiós veszteség nagyobb lenne, mint az egyutas erősítés, és nem lenne lézerműködés.

Kettős törés

Az olyan közegeket, amelyekben a fény minden irányban egyenlő sebességgel terjed, izotróp anyagoknak nevezzük. Ilyenek az amorf anyagok (pl. feszültségmentes üveg) és a szabályos rendszerbe tartozó kristályok. Izotróp anyagokban az elektromos térerősség és a dielektromos eltolás vektora egyirányú.

Azok az anyagok, amelyekben a terjedési sebesség függ az iránytól, anizotropok vagy kettősen törők. Mivel a terjedési sebesség és az anyag dielektromos együtthatója között szoros az összefüggés, az anizotrop anyagok dielektromos együtthatója irányfüggő. Az elektromos térerősség és a dielektromos eltolás vektora nem esik egybe. A dielektromos eltolás vektora merőleges a terjedés irányára. Ilyen anyag a mészpát, a kvarc és a turmalin. Ha egy ilyen anyagon átnézünk, kettős képet látunk, amelynek oka, hogy a tárgy egy pontjából kiinduló fénysugár a kristályon való áthaladáskor két különbözőképpen megtört sugárra bomlik. Az egyik az ordinárius sugár, amely követi a Snellius–Descartes-féle törvényben leírt szabályos fénytörést. A másik sugarat extraordinárius sugárnak nevezik, és terjedési sebessége irányfüggő. Egy polarizátorral kimutatható, hogy a két különböző irányba megtört sugár mentén terjedő fény egymásra merőleges rezgési síkokban lineárisan poláros.

A kettős törést úgy lehet felhasználni síkban poláros fény előállítására, hogy a beeső természetes fényből keletkező két síkban poláros fénysugár közül az egyiket teljes visszaverődés segítségével, az irányeltérésük felhasználásával eltávolítjuk. Az ilyen polarizátorok közül a legismertebb a már említett Nicol-féle prizma.

Vannak olyan kettősen törő anyagok, amelyekben a keletkező két polarizált rezgés közül az egyik nagyobb mértékben elnyelődik, mint a másik. Ez a jelenség a dikroizmus. Kellő vastagságú dikroitikus anyagra eső fényből a másik oldalon csak egy síkban poláros rezgés marad meg. Ilyen kristály a turmalin és a dikroitikus hártyából készült polaroidszűrő.

A Glan–Thompson-féle prizma két, a lapátlójuk oldalán összefordított mészpát kristályból áll, amelyeket kanadai balzsammal ragasztanak össze. (2.6.2.1. ábra)

2.6.2.1. ábra

Az optikai tengelyük egymással párhuzamos és merőleges a visszaverődés síkjára. A kettős törés következtében a nyaláb két részre oszlik, az ordináris sugár teljesen visszaverődik a mészpát, kanadai balzsam vagy szintetikus polimer alapú ragasztó határfelületéről, az extraordináris nyaláb polarizáltan áthalad, így a prizma nyalábosztóként működik.

A Wollaston-prizma (2.6.2.2. ábra) a belépő fényből két, egymásra merőlegesen lineárisan poláros nyalábot állít elő. A felszínre merőlegesen belépő sugarak az optikai tengelyre merőlegesen haladnak a második prizmáig, ahol kettős törést szenvednek.

2.6.2.2. ábra

Egy megfelelő vastagságú, kettősen törő lemez segítségével a síkban poláros fényt cirkulárisan polárossá lehet átalakítani.

Ejtsünk síkban poláros fényt egy kettősen törő lemezre úgy, hogy a lemezben keletkező két rezgés iránya 45o-ot zárjon be a beeső rezgés irányával. Így a két egymásra merőleges rezgés amplitúdója egyenlő lesz. Különböző terjedési sebességük miatt a két rezgés között fáziskülönbség keletkezik. A fáziskülönbség a lemez vastagságával együtt növekszik. A lemezt λ/4-esnek mondjuk, ha vastagsága olyan, hogy a lemezen áthaladó két egymásra merőleges rezgés között a fáziskülönbség 90°. A λ/4-es lemezből kilépő két egymásra merőleges rezgés cirkulárisan poláros rezgéssé tevődik össze. Ha a két egymásra merőleges rezgés amplitúdója nem egyenlő, vagy fáziskülönbségük nem 90°, akkor összetételükből elliptikusan poláros fény keletkezik. Abban az esetben, ha a fáziskülönbség 180°, vagy ennek többszöröse, akkor az eredő síkban poláros fény.

Az előbb tárgyalt „természetes” kettős törésen kívül más esetekben is felléphet kettős törés. Ekkor az eredetileg izotróp anyag valamilyen külső fizikai hatásra anizotróppá válik.

A kettős törés egyéb esetei

  • Feszültségi kettős törés (mechanikai feszültség)

  • Elektromos kettős törés (Kerr-féle effektus)

  • Mágneses kettős törés (Cotton–Mutton-féle effektus)

  • Áramlási kettős törés

  • Pockels-effektus

Polarizáción alapuló eszközök

Folyadékkristályos kijelzők[15]

A hosszú szerves molekulákból álló folyadékkristályok szerkezetükből adódóan kiralitást mutatnak, azaz a rajtuk áthaladó polarizált fény síkját képesek elforgatni. A királis molekulák sok szempontból érdekesek, mi sem bizonyítja ezt jobban, mint az, hogy a 2001. évi kémiai Nobel-díj is ezen vegyületekhez kapcsolódik. Hőmérséklet vagy elektromos feszültség hatására megváltozhat a folyadékkristály molekuláinak szerkezete, így a polarizált fénnyel való kölcsönhatásuk is. Az egyik legelterjedtebb alkalmazás a folyadékkristályos kijelző (LCD - liquid crystal display), mely megtalálható a számológépekben, órák, számítógépek és sok más hétköznapi eszköz kijelzőjén.

Az LCD működése

Az LCD (liquid crystal display), azaz a folyadékkristályos kijelző lelke egy folyadékkristály-réteg, melyen polarizált fény halad keresztül.

A látható fény (nem polarizált) először áthalad egy ún. polárszűrőn, melynek következtében polarizálódik (a fény rezgései csak egy síkban történnek). Az ember szabad szemmel nem tudja megkülönböztetni egymástól a polarizált és a nem polarizált fényt. A kijelzőben az immár polarizált fény áthalad a folyadékkristályt tartalmazó rétegen, melyet két elektród közé teszünk. Az áthaladás után a polarizált fény síkja 90 fokkal elfordul a folyadékkristállyal való kölcsönhatás következtében.

Amennyiben feszültséget kapcsolunk a folyadékkristályos rétegre, akkor a polarizált fény síkja nem fordul el. (2.6.3.1. ábra) A különleges rétegen áthaladó polarizált fény ismét egy polárszűrőre esik, melyen csak akkor halad át, ha a fény síkja a fentire merőleges.

2.6.3.1. ábra

Ha áthalad rajta, akkor az alul elhelyezkedő tükörről visszaverődve a kijelzőn világosságot látunk. Amennyiben a folyadékkristályos rétegre vagy annak egy részére feszültséget kapcsolunk, a kijelzőn sötétséget észlelünk. A folyadékkristályos réteg kiképzésétől függően számokat, betűket, rajzokat is meg lehet jeleníteni a kijelzőn.

Ellipszometria[16]

Az ellipszometria egy olyan érintés- és roncsolásmentes optikai vizsgálati módszer, amellyel a nagyon vékony, akár nanométeres vastagságú rétegek, dielektrikumok fizikai sajátosságait lehet mérni, az anyag felületére bocsátott, majd onnan visszaverődő polarizált fény optikai jellemzőit vizsgálva. Az ellipszometria vizsgálati módszer roncsolásmentes, mivel kis energiájú fénysugarat használnak hozzá.

2.6.3.2. ábra

Az ellipszometria név onnan származik, hogy a legtöbb polarizációs állapot elliptikus. A technika közel egy évszázada ismert, manapság számos alkalmazása van. A vizsgáló fény hullámhosszánál vékonyabb rétegek is vizsgálhatók vele, akár egy atom vastagságig. Ezért ez az ún. „nanotechnológia” egyik legfontosabb vizsgálómódszere. Biológiai és orvosi kutatások területén is gyakran használt eljárás, ahol az instabil folyadékfelszínek mérésénél és mikroszkopikus megjelenítésnél jól használható.

Az ellipszometriában a fény polarizációjának nagyon kis változásából nyerik az anyagszerkezetre (például morfológiára, a kristály minőségre, kémiai összetételre vagy az elektromos vezetőképességre) jellemző információt. A vizsgálat eredményében a réteg abszorpciója, kettős törése, esetleges optikai aktivitása, ezek hullámhosszfüggése is szerepet játszik, általánosan a többdimenziós szuszceptibilitás tenzor elemeit határozzák meg.

Polarizációs szűrők a fényképezésben [17]

Az üveg, víz, fa, lakk, papír, porcelán stb. tárgyak felületein mutatkozó tükröződések gyakran használhatatlanná teszik a fényképfelvételeket. Polarizációs szűrő használatával, valamint a felvételi pont helyes megválasztásával teljesen megszüntethetők vagy nagymértékben csökkenthetők ezek a káros visszaverődések. Teljesen megszűnnek, ha a felvételt olyan irányból készítjük, amely megfelel a polarizáció szögének. A visszavert fény polarizált. Ez jut a felvevő objektívre illesztett polarizációs szűrőre.

2.6.3.3. ábra

A polarizációs szűrőt forgatva és közben a képet figyelve a matt üvegen, megítélhetjük a szűrő hatását. Ha a tükröző felületek és a fölhelyezett szűrő polarizációs síkja egy irányban egybeesik, akkor a visszaverődések megmaradnak, ha viszont a polarizációs síkok 90°-os szögben keresztezik egymást, akkor kioltódnak.

Polarizációs szűrők a sztereó vetítésben: 3D vetítés

2.6.3.4. ábra

Térbeli kép (2.6.3.4. ábra) fényképészeti előállításához két felvétel szükséges. Ezeket általában egymástól olyan oldaltávolságból készítjük, amely megfelel az emberi szem távolságának. Ezáltal a jobb oldali részfelvételen az a perspektíva mutatkozik, amit a jobb szem látna. Ugyanígy mutatja a bal szemnek megfelelő képet a bal oldali felvétel. A két kép együttes szemlélésekor térbeli hatás keletkezik, ha a jobb szemmel csak a jobb oldali, a bal szemmel pedig csak a bal oldali képet látjuk. Ez elérhető polarizációs szűrővel is. A két képet ekkor két külön készülékkel egymásra vetítjük. A két vetítő objektív elé polarizációs szűrőt helyezünk úgy, hogy polarizációs síkjuk merőleges legyen egymásra.

Vetíteni fémporbevonatú képernyőre kell, mert a hagyományos fehér vászonról depolarizálná a visszaverődő fényt (Silver screen vagy Z screen). A néző speciális szemüvegen keresztül nézi a képet, melynek lencséi polarizáló szűrők. A jobb szem előtti szűrő polarizációs síkja párhuzamos a jobb oldali részképet vetítő objektív szűrőjének polarizációs síkjával, és ugyanígy a bal szem és a bal oldali részképet vetítő objektív előtti szűrők polarizációs síkja is párhuzamos. Ezáltal mindegyik szem csak a hozzá tartozó részképet láthatja. A két részképet az emberi agy egyetlen térbeli képpé olvasztja össze.

Feszültségvizsgáló

A feszültségvizsgáló nem kristályos anyagokban, például üvegben vagy műgyantában, mechanikai terhelés hatására keletkező feszültségek tanulmányozására szolgál. Ezek az anyagok ugyanis nyomás, húzás, hajlítás, nyírás vagy csavarás hatására kettősen törővé válnak.

2.6.3.5. ábra

A feszültségvizsgáló fő részei a természetes fényt kibocsátó fényforrás, a természetes fényből lineárisan polarizált fényt előállító polarizátor és ennek polarizációs síkjára merőleges polarizációs síkú analizátor.

Ha feszültséges testet helyezünk a polarizátor és az analizátor közé, akkor a rajta áthaladó polarizált fény két, egymásra merőleges összetevőre bomlik. A feszültséges helyeken a járulékos kettős törés miatt a két komponens nem egyenlő sebességgel terjed, – hullámhossztól függő – fáziskülönbség keletkezik, így a kép színessé válik. Az elszíneződés hullámhossza és erőssége a feszültség nagyságát jelzi.

Ezzel a módszerrel ellenőrzi az optikai műszerész a gyártás során az üveglemezeket, tömböket és sajtolt elemeket (preszlingeket). Már az üveg gyártásakor keletkezhetnek feszültségek a túl gyors hűtés miatt, ami selejtet eredményezne, ha nem észlelnék időben.