|
СПРАВКА
ПО ПОЛЯРИМЕТРИИ
Горюнова О. С.
СОДЕРЖАНИЕ
1.
ПОЛЯРИЗАЦИЯ
Основные понятия
Виды
поляризации
2.
ПОЛЯРИЗАТОРЫ
Основные понятия
Двупреломляющие
поляризаторы
3.
ПОЛЯРОИДЫ
Понятие
"поляроид"
Виды
поляроидов
4.
ПОЛЯРИМЕТРИЯ
Понятие
"поляриметрия"
Классификация поляриметров
Аппаратура
и методика поляризационных измерений
Параметры
Стокса
ЛИТЕРАТУРА
1.
ПОЛЯРИЗАЦИЯ
1.1. Основные
понятия
Поляризация
света - совокупность явлений волновой оптики, в которых проявляется
поперечность электромагнитных световых волн.
Поперечная волна - частицы среды колеблются в направлениях,
перпендикулярных направлению распространения волны (рис.1).
Рис.1
Поперечная волна
Электромагнитная
световая волна плоскополяризованная (линейная поляризация),
если направления колебаний векторов E и B строго фиксированы и лежат
в определенных плоскостях (рис.1).
Плоскополяризованная световая волна называется плоскополяризованным
(линейнополяризованным) светом.
Неполяризованная (естественная) волна - электромагнитная
световая волна, в которой направления колебаний векторов E и B в
этой волне могут лежать в любых плоскостях, перпендикулярных вектору
скорости v [6].
Неполяризованный свет - световые волны, у которых направления
колебаний векторов E и B хаотически меняются так, что равновероятны
все направления колебаний в плоскостях, перпендикулярных к лучу
распространения волны (рис.2).
Рис.2
Неполяризованный свет
Поляризованные волны
- у которых направления векторов E и B сохраняются неизменными в
пространстве или изменяются по определенному закону.
Излучение, у которого направление вектора Е изменяется хаотически
- неполяризованное. Примером такого излучения может являться
тепловое излучение (хаотически распределенные атомы и электроны).
Плоскость поляризации - это плоскость, перпендикулярная направлению
колебаний вектора Е.
Основной механизм возникновения поляризованного излучения - рассеяние
излучения на электронах, атомах, молекулах, пылинках.
1.2.
Виды поляризации
Существует три вида поляризации. Дадим им определения.
1. Линейная
Возникает, если электрический вектор Е сохраняет свое положение
в пространстве. Она как бы выделяет плоскость, в которой колеблется
вектор Е.
2. Круговая
Это поляризация, возникающая, когда электрический вектор Е вращается
вокруг направления распространения волны с угловой скоростью, равной
угловой частоте волны, и сохраняет при этом свою абсолютную величину.
Такая поляризация характеризует направление вращения вектора Е в
плоскости, перпендикулярной лучу зрения.
Примером является циклотронное излучение (система электронов, вращающихся
в магнитном поле) [2,5].
3. Эллиптическая
Возникает тогда, когда величина электрического вектора Е меняется
так, что он описывает эллипс (вращение вектора Е).
Эллиптическая и круговая поляризация бывает правой (вращение вектора
Е происходит по часовой стрелке, если смотреть навстречу распространяющейся
волне) и левой (вращение вектора Е происходит против часовой стрелки,
если смотреть навстречу распространяющейся волне) [1,
3, 4].
Реально, чаще всего встречается частичная поляризация
(частично поляризованные электромагнитные волны) [5].
Количественно она характеризуется некой величиной, называемой степенью
поляризации Р, которая определяется как:
P = (Imax - Imin) / ( Imax + Imin)
где Imax , Imin - наибольшая и наименьшая плотность
потока электромагнитной энергии через анализатор (поляроид, призму
Николя…).
На практике, поляризацию излучения часто описывают параметрами
Стокса (определяют потоки излучения с заданным направлением
поляризации).
2. ПОЛЯРИЗАТОРЫ
2.1. Основные понятия
Поляризаторы - устройства, служащие для преобразования естественного
света в поляризованный.
Поляризаторы обычно изготавливают из кристаллов, обладающих особыми
свойствами (двулучеприломлением) [3], подробнее
об этом будет рассказано далее.
Таковым является н.п. кристалл турмалина (или кварца): он пропускает
световые волны с колебаниями электрического вектора Е (и соответственно,
магнитного B), лежащими в какой-то одной определенной плоскости
(рис.3).
Рис.3
Действие поляризатора
Убедиться
в том, что свет, прошедший через кристалл оказался плоскополяризованным,
можно с помощью другого кристалла турмалина, играющего роль анализатора
- устройства, позволяющего обнаружить положение плоскости, в которой
происходят колебания вектора E в линейно поляризованном свете (рис.4)
[3, 5].
Рис.4
Действие анализатора
а) при
параллельных осях кристаллов поляризатора и анализатора свет полностью
проходит;
б) свет постепенно гасится, если угол между осями
приближается к 90°;
в) свет полностью гасится в анализаторе.
2.2.
Двупреломляющие поляризаторы
Поляризаторы обычно изготавливают из кристаллов, имеющих необычные
оптические свойства, а именно - двойное лучепреломление (когда вошедший
в такой кристалл луч света преломляется, то помимо преломленного
обыкновенного луча, появляется еще и так называемый необыкновенный
луч. Такое поведение луча света обусловлено именно особым строением
некоторых кристаллов, н.п. исландского шпата или кварца) [1].
Разумеется, сами по себе кристаллы не используются в качестве поляризаторов.
Из них изготавливают призмы и соединяя их в различные комбинации
в зависимости от поставленной задачи, используют как поляризаторы
- устройства, пропускающие свет в одном направлении, и не пропускающие
в другом (в направлении, перпендикулярном направлению оптической
оси кристалла).
Поляризатор характеризуется
[1] такими величинами:
1) поляризующая способность (степень поляризации, которую
создавал бы поляризатор, если бы падающий луч был неполяризован).
2) два главных пропускания: k1 - когда отношение Iпрошедш
/ Iпад максимально, где I -интенсивность прошедшей и соответственно
падающей волны, и k2 - когда оно минимально. Считается очень хорошими
показатели k1=1 и k2= 0.
Приведем несколько примеров таких двупреломляющих поляризаторов.
Конечно, существует много различных вариантов комбинаций призм,
которые конструируются под конкретные задачи, но можно сказать,
что описанных выше призм для ознакомления достаточно [1,
4].
1) Призма Аренса
Была придумана в 1886 г. и состоит из 3-х призм исландского шпата.
Р=0,99999, где Р - поляризующая способность. Особенность: имеет
большой рабочий интервал углов, высокая линейная апертура (относительно
длины). Используется в поляризационных микроскопах.
2) Призма Волластона
Особенность: на выходе получаем два ортогонально поляризованных
пучка.
А именно: падающий луч делится призмой на две поляризованные компоненты
и обе пропускает в разные стороны. Применяется в астрономии.
3) Призма Глана-Фуко
Особенность: состоит из двух призм, отделенных друг от друга воздушным
зазором. Оптические оси перпендикулярны падающему пучку
света и верхней грани. Применяется для ультрафиолетового, инфракрасного
и видимого диапазонов.
4) Призма Тейлора - модифицированная призма Глана-Фуко.
Оптические оси обеих призм параллельны верхней грани и той, которая
является входной.
5) Призма Николя
Это скорее классический пример, о котором стоит упомянуть, но рассматривать
подробнее не будем, так как призма Николя уже не используется, в
виду наличия более эффективных устройств.
3. ПОЛЯРОИДЫ
3.1. Понятие "поляроид"
Первый поляроид был изобретен Лендом в 1938 г [1].
Поляроиды чаще применяются на практике, т.к. они удобны в обращении
и сравнительно недорого стоят. Собственно говоря, поляроид - это
пленка, имеющая преимущественное направление, обычно зажатая между
двумя стеклышками (для защиты от механических повреждений) [6].
3.2. Виды поляроидов
[1]
1) Н-тип
Прозрачный плоский полимерный материал, состоящий из полимерных
молекул, имеющих преимущественное направление, окрашен веществом,
обеспечивающим дихроизм пленки.
Производится из содержащей йод пленки поливинилового спирта, растянутой
в одном направлении. Обладает высокой поляризующей способностью
и большим значением наибольшего главного пропускания k1, в широком
диапазоне. Двойное преломление. Портится при T=80° К. Чаще всего
используется HN-32.
2) Цветной дихроичный поляроид
Растянутая пленка, содержащая ориентированные молекулы цветного
красителя. Используется в корректирующих свет фильтрах при цветной
фотографии.
3) HR-тип
Используется в астрономии, для близкой инфракрасной области. Имеет
интенсивную область поглощения (1,5 мк) и обладает дихроизмом.
Область применения (0,7- 2,3 мк). Нормальное применение при Т=65°
С , короткое применение возможно при Т=90° С.
Состоит из того же, что Н-тип.
Существует много типов поляроидов, н.п. К-тип, L-тип, J-тип, но
они редко используются.
4. ПОЛЯРИМЕТРИЯ
4.1. Понятие
"поляриметрия"
Поляриметрия - область измерений углов вращения плоскости
поляризации, производимого различными веществами (естественная оптическая
активность и активность под действием магнитного поля). На основании
этих измерений оценивают различные свойства, состав или молекулярную
структуру исследуемых веществ [3, 4].
Эффективным методом изучения верхних слоев атмосфер планет является
исследование их поляризованного излучения. Именно астрофизический
метод исследований поляриметрия и позволяет получить информацию
о физических характеристиках источника поляризованного излучения:
о величине и геометрии магнитного поля в источнике, его химический
состав, форму и размер рассеивающих излучение частиц, степень однородности
яркости источника (для звезд).
4.2. Классификация
поляриметров
По типу поляризации поляриметры делятся на 3 типа:
1) для измерения угла вращения плоскости поляризации линейно поляризованного
света (плоскости, проходящей через электрический вектор Е и направление
распространения электромагнитной волны);
2) эллипсометры - для определения параметров эллиптически поляризованного
света;
3) для определения степени поляризации.
По назначению
поляриметры делятся на 2 типа:
1) (анализатор) для исследования поляризованного излучения, падающего
на поляриметр;
2) (анализатор + поляризатор) для исследований изменений в состоянии
поляризации в результате взаимодействия с веществом (аналитические
приборы).
По способу измерения на 2 группы: визуальные и фотоэлектрические.
Основное условие правильной работы поляриметра - постоянство распределения
яркости на всем поле зрения независимо от изменений потока излучения
источника [5].
4.3. Аппаратура
и методика поляризационных измерений
Задача определения параметров поляризованного излучения сводится
к оценке интенсивности излучения, пропущенного через соответствующее
оптическое устройство [5]. Значит она фактически
фотометрическая. Если к фотометру добавить анализатор поляризации,
то получится поляриметр [2].
Поляриметрия делится на три типа:
1) Визуальная
Устройство поляриметра и характер методики определяется исходя из
способностей глаза с большой точностью определять равенство или
неравенство двух соседних фотометрических полей и непригодности
его для количественных оценок их различия. Оценка яркости путем
выравнивания фотометрических полей.
Примеры использования: поляриметр Корню, полярископ Савара; Лио,
Дольфюс - полярим. исследования Луны и планет. Визуальная поляриметрия
сейчас практически не используется, т.к. является достаточно неточной
[5].
2) Фотографическая
Фотографический телескоп, в котором перед пластинкой, или если позволяют
размеры, перед объективом, в специальной оправе, допускающей вращение
по позиционному углу, установлен анализатор-поляроид. Калибруются
последовательно полученные снимки при изменении положения анализатора
от снимка к снимку. Можно также использовать агрегат из 3-х камер,
чтоб получать одновременно снимки.
Этот тип поляриметрии применяется при наблюдениях: солнечной короны
и комет, звезд (относительно звезд сравнения с известной поляризацией
), протяженные источники (туманности) с помощью двухэтажной кассеты
Домбровского (имеем одновременно изображение объекта и фона, что
дает нам возможность получить внефоновое изображение звезды).
Используя двулучевой анализатор мы получим 2-а изображения, поляризованные
в 2-х перпендикулярных плоскостях.
Недостатки: 1) при использовании однолучевого анализатора, реально
используется лишь часть светового потока, собираемого телескопом;2)
снимки могут получиться разными (н.п. из-за изменений условий фотографирования).
С помощью фотографической поляриметрии проводятся исследования в
основном обзорного характера [5].
3) Фотоэлектрическая
Самый распространенный и точный метод. Фотоэлектрические приборы
по методу регистрации фототока делятся на приборы с усилением постоянного
либо переменного тока и работающие в режиме счета фотонов. Делается
три оценки фототока при 3-х положениях анализатора. Степень поляризации
светового пучка в таком случае равна разности фототока при перпендикулярных
положениях анализатора.
В режиме счета фотонов внутреннее усиление приемника так велико,
что амплитуда вызываемого отдельными фотоэлектронами сигнала превосходит
его флуктуации, обусловленные большинством источников шума.
С помощью такой методики можно наблюдать слабые объекты - звезды,
туманности, галактики [5].
4.4. Параметры
Стокса
Параметры Стокса определяют состояние поляризации волны. Чтобы ввести
их, вспомним, что поляризацию определяют по ориентации вектора Е
в волне, а монохроматическая волна (вдоль оси z-направление распространения)
описывается составляющими колебаний в ортогональных плоскостях xz
и yz.
Параметры Стокса
вводятся как такие величины [2]:
I = Sqr (А(х))
+ Sqr (А(у))
Q = Sqr (А(х)) - Sqr(А(у))
U = 2 А(х)* А(у) cos
V = 2 А(х)* А(у) sin
Где A (x), A (y)
- амплитуды колебаний в плоскостях xz и yz;
I - интенсивность
Q - параметр преимущественной горизонтальной поляризации
U - параметр преимущественной поляризации под углом 45
V - параметр правоциркулярной поляризации
На практике используются
следующее выражение для степени поляризации:
P = (Q + U)*0.5 / I; P= (I1 - I2)/ (I1 + I2);
Q=I1-I2
где I1,I2 - интенсивности в 2-х положениях анализатора (вдоль и
перпендикулярно колебаниям).
ЛИТЕРАТУРА
1. Шерклифф У. Поляризованный
свет,1965г.
2. Уокер Г. Астрономические наблюдения.
3. Волкова Е.А. Поляризационные
измерения,1974г.
4. Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика
атмосферного аэрозоля, 1987г.
5. Пулковский курс звездной астрофизики
и звездной астрономии, т.1, 1973г.
6. Физика космоса: Маленькая
энциклопедия /Редкол.: Р. А. Сюняев (Гл. ред.) и др. - 2-е изд.,
перераб. и доп. - М.: Сов. энциклопедия,1986. - С.783, ил. - (Биб.
серия).
7. Лансберг. Оптика
2004/04/17
|
