Типы поляризации окружающей среды

Поляриза́тор — устройство, предназначенное для получения полностью или частично поляризованного оптического излучения из излучения с произвольным состоянием поляризации^[1]. В соответствии с типом поляризации, получаемой с помощью поляризаторов, они делятся на линейные, круговые и более редкие эллиптические^[2]. Линейные поляризаторы позволяют получать плоскополяризованный свет, круговые — свет, поляризованный по кругу, а эллиптические — эллиптически поляризованный свет с заранее определённым типом эллипса. Линейные поляризаторы основаны на использовании одного из трёх физических явлений. Одно из них — двойное лучепреломление, другое — линейный дихроизм и третье — поляризация света, происходящая при отражении на границах раздела сред. Круговые поляризаторы обычно представляют собой совокупность линейного поляризатора и четвертьволновой пластинки (оптического компенсатора).
Поляризаторы используются при изучении распределений механических напряжений в прозрачных объектах с помощью поляризованного света, при изучении структуры веществ, в сахариметрии и в особенности в кристаллооптике. Широко применяются в фотографических поляризационных светофильтрах и астрономии.
Поляризационный светофильтр в оптике и спектроскопии
Поляризационный светофильтр в оптике и спектроскопии — устройство, обычно состоящее из двух линейных поляризаторов и одной или нескольких фазовых пластинок между ними. Предназначен для изменения спектрального состава и энергии падающего на него оптического излучения. Используется в тех случаях, когда достичь желаемого результата иными, более простыми средствами невозможно.
Поляризационный светофильтр в фотографии
Поляризационный светофильтр в фотографии — поляризатор, предназначенный для устранения нежелательных эффектов (бликов, отражений), уменьшение яркости (с одновременным повышением насыщенности) неба и др. или для достижения художественных целей. Конструктивно оформляется для совместного использования с фотографическими аппаратами. Выглядит как обыкновенный светофильтр, но имеет две части, примерно одинаковой толщины — переднюю и заднюю, которые могут свободно поворачиваться друг относительно друга. Задняя часть фильтра навинчивается на объектив, а поворотом передней половины, в которой собственно и расположен поляризатор, на тот или иной угол выбирается нужный эффект.
В передней половине поляризационного светофильтра может присутствовать внутренняя резьба для крепления объективной крышки, резьбовой бленды, или других светофильтров. У бликующих объектов разные их части могут давать блики с разными углами поляризации, которые не представляется возможным одновременно подавить только одним фильтром. Кроме того, бликующих объектов в кадре может оказаться много. В таких ситуациях используются несколько скрученных последовательно поляризационных светофильтров, причем, все кроме заднего, должны быть обязательно не круговой, а линейной поляризации, так как оптический компенсатор, имеющийся в фильтре с круговой поляризацией, делает невозможным достижение эффекта от остальных поляризационных светофильтров, которые будут расположены за ним ближе к объективу.
Оптическая плотность поляризационных светофильтров обычно лежит в пределах от двух до пяти. Цветовые искажения могут присутствовать. В частности, некоторые фильтры имеют спад до одного стопа в сине-фиолетовой области, из-за чего заметно «зеленят» картинку. Также недорогие поляризационные светофильтры, чаще чем цветные, могут негативно влиять на воспроизведение мелких деталей. Поляризационный светофильтр, наряду с «защитным» УФ-блокирующим фильтром, является наиболее используемым светофильтром в фотографии.
Для большинства практических применений поляризационный фильтр изготавливают в виде двух стеклянных пластинок с находящейся между ними поляроидной плёнкой, обладающей линейным дихроизмом. Поляроидная плёнка представляет собой слой ацетилцеллюлозы, содержащий большое количество мелких кристаллов герапатита (иодистое соединение сернокислого хинина). Применяются также иодно-поливиниловые плёнки с одинаково ориентированными полимерными цепями. Идентичность ориентации кристаллов достигается с помощью электрического поля, а полимерные цепи ориентируют механическим растяжением. Фильтр с круговой поляризацией дополнительно имеет еще и оптический компенсатор — четвертьволновая фазовая пластинка (так же применяется в интерферометрах, дает возможность определить разность хода двух пучков лучей). В ней используется явление двойного лучепреломления в кристаллах. Скорости «обыкновенного» и «необыкновенного» лучей в кристалле (а следовательно, и оптические длины их путей) различны, поэтому при прохождении через кристалл они приобретают разность хода, определяемую его толщиной. Пластинка ставится по пути следуемого луча, за поляризатором, и при сборке поворачивается так, чтобы её оптические оси совпали с осями поляризации. В этом положении четвертьволновая пластинка превращает линейно поляризованный свет в свет с круговой поляризацией (или наоборот), сдвигая разность фаз на 90 градусов.
Так устроены поляризаторы всех производителей, разница как в качестве, так и в цене происходит из-за дополнительных слоёв: просветляющих, защитных, водоотталкивающиx.

Понятие поляризации

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул, возникающая в любом диэлектрике при воздействии электрического поля.
Выделяют два определения поляризации:
Свойство световых и электромагнитных колебаний размещаться в одной определенной плоскости. Плоскость поляризации падающего луча.
Отложение на электродах различных веществ, ослабляющих силу тока. Поляризация электродов.
В зависимости от механизма или порядка смещения электрических зарядов различают следующие виды поляризации:
Электронная поляризация;
Ионная поляризация;
Упруго-дипольная поляризация;
Ионно-релаксационная поляризация;
Дипольно-релаксационная поляризация;
Миграционная (межслоевая) поляризация;
Электронно-релаксационная поляризация;
Поляризация ядерного смещения;
Остаточная (электретная) поляризация;
Спонтанная (сегнетоэлектрическая) поляризация;
Пьезоэлектрическая поляризация
Механизмы поляризации
Значение емкости конденсатора с диэлектриком и накопленный в нем электрический заряд обусловлены несколькими механизмами поляризации, которые различны у разных диэлектриков и могут иметь место одновременно у одного и того же материала.

представлена эквивалентная схема диэлектрика, в котором существуют различные механизмы поляризации, можно представить в виде ряда подключенных параллельно к источнику напряжения конденсаторов.
В зависимости от характера химической связи различают следующие 3 основные механизмы поляризации диэлектриков: электронную, ионную и дипольную (ориентационную).
Электронная поляризация присуща всем диэлектрикам и превалирует в кристаллах с ковалентной связью. Под действием внешнего электрического поля P происходит смещение электронов атома относительно его ядра (деформация его электронной оболочки) и возникают индуцированные диполи. Диэлектрические свойства индуцированных диполей относятся к числу резонансных явлений.
Электронный механизм поляризации является наименее инерционным, т.к. масса электрона значительно меньше массы частиц, участвующих в процессе поляризации. Время установления электронной поляризации составляет ≈ 10-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний
Электронная поляризация
Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации. Время восстановления составляет 10-13 сек. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связана с потерями энергии до резонансных частот.
Значение диэлектрической проницаемости вещества с чисто электронной поляризацией численно равно квадрату показателя преломления света. Поляризуемость частиц при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема. Кривая зависимости от температуры подобна кривой изменения плотности; причем наиболее резкие снижения наблюдаются при переходах вещества из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное, как показано на рисунке
Типы и применение
Пример использования поляризационного фильтра в фотографии (в качестве эффективного сокращения яркостного диапазона, усиления контраста на небосводе и небольшого побочного влияния на цветность). Максимальный эффект достигается при съёмке в направлении, перпендикулярном направлению на Солнце
Поляризационный фильтр линейной поляризации или линейный поляризатор[2] (англ. Linear Polarizer, LP). Содержит один поляризатор, поворачивающийся в оправе. Направление пропускания линейной поляризации отмечено точками или рисками с диаметрально противоположных сторон вращающейся части оправы. Его применение основывается на том, что часть света в окружающем нас мире поляризована линейным (и близким к линейному эллиптическим) образом. Частично поляризованы все лучи, неотвесно отражённые от диэлектрических поверхностей. Частично поляризован свет, поступающий от неба и облаков. Поэтому, применяя линейный поляризатор при съёмке, фотограф получает дополнительную возможность изменения яркости и контраста различных частей изображения. Например, результатом съёмки пейзажа в солнечный день с применением такого фильтра может получиться тёмное, густо-синее небо. При съёмке находящихся за стеклом объектов поляризатор позволяет избавиться от отражения фотографа в стекле.
Для съёмки в условиях низкой освещённости выпускаются Low Light Polarizer, частично поляризующие свет и потому имеющие низкую кратность. При сложении двух таких фильтров перпендикулярно их плоскостями поляризации вместо полного гашения светового потока получается 2/3 величины потока.
Фильтр с круговой поляризацией или круговой поляризатор (англ. Circumpolar, Circular polarizer, CP, CPL). Помимо поляризатора, содержит четвертьволновую фазовую пластинку, на выходе которой линейно поляризованный свет приобретает круговую поляризацию. С точки зрения получаемого на снимке эффекта, круговой поляризатор ничем от линейного не отличается. Появление таких фильтров было вызвано применением в фотоаппаратах фотоэлементов TTL автоматики, которые, в отличие от фотоматериала, оказались зависимы от вращения угла плоскости линейно поляризованного света, попадающего на них через объектив. В частности, линейно поляризованный свет частично нарушает работу автоматики фазовой фокусировки в зеркальных фотоаппаратах и затрудняет замер экспозиции.
Составные нейтральные фильтры. Если сложить вместе два поляризатора, то при совпадающих плоскостях поляризации такой фильтр имеет максимальное светопропускание (и эквивалентен нейтрально-серому фильтру 2x). При перпендикулярных же направлениях поляризации при идеальных поляризаторах фильтр полностью поглощает падающий на него свет. Выбирая угол поворота, можно в очень широких пределах менять светопропускание такого фильтра.
Составные цветные поляризационные фильтры. Они состоят из двух поляризующих фильтров, которые можно вращать, и между ними находится пластинка, поворачивающая плоскость поляризации света. Из-за того, что угол поворота зависит от длины волны, при каждом положении поляризаторов часть спектра проходит сквозь такую систему, а часть задерживается. Поворот же поляризаторов друг относительно друга приводит к изменению спектральной характеристики фильтра. Выпускаются, например, красно-зелёные фильтры Cokin Р170 Varicolor Red/Green и оранжево-голубой Cokin Р171 Varicolor Red/Blue.
Электронно управляемые фильтры. Когда наряду с поляризатором в качестве модулятора поляризованного излучения в конструкции составных фильтров используется жидкокристаллический элемент, это позволяет управлять свойствами фильтра непосредственно в процессе съёмки.
В астрономии поляризационные фильтры входят в состав инструментов, предназначенных для изучения степени линейной и круговой поляризации света космических объектов. Поляризационные наблюдения являются основным способом получения информации о силе магнитного поля в областях генерации излучения, например, на белых карликах.
В микроскопах с помощью таких фильтров поляризованное излучение позволяет подчеркнуть элементы наблюдаемой структуры или также, как и в астрономии, определить различные параметры поляризации, что даёт возможность определить и другие параметры формы, плотность, распределение напряжений, взаимодействия сред и др.
Круговая поляризация
В электродинамике круговая поляризация или иначе циркулярная поляризация электромагнитного излучения — это одно из состояний поляризации, при которой вектор электрического поля E в каждой точке электромагнитного поля волны имеет постоянную величину, но его направление вращается с постоянной скоростью в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Круговую поляризацию можно рассматривать как частный случай более общего понятия эллиптической поляризации, когда концы векторов E и Н электрического поля и магнитного поля электромагнитной волны при вращении описывают эллипсы. Эллиптическая поляризация возникает при сложении двух взаимно перпендикулярных линейно поляризованных колебаний с разными амплитудами и разностью фаз. С такой точки зрения линейную поляризацию можно рассматривать тоже как другой предельный частный случай эллиптической поляризации. В случае волны с круговой поляризацией, как показано на прилагаемой анимации, вершина вектора электрического поля в заданной точке пространства с течением времени описывает круг. С течением времени вершина вектора электрического поля волны движется по спирали, ориентированной вдоль направления распространения электромагнитной волны. Волна с круговой поляризацией может вращаться в одном из двух возможных направлений: правая круговая поляризация, при которой вектор электрического поля вращается вправо по отношению к направлению распространения, и левая круговая поляризация, при которой вектор вращается влево. Свет с круговой поляризацией можно преобразовать в свет с линейной поляризацией, пропустив его через четвертьволновую пластину[en]. Прохождение линейно поляризованного света через четвертьволновую пластинку с осями под 45 ° к оси поляризации преобразует его в круговую поляризацию. Это наиболее распространенный способ получения круговой поляризации на практике. Следует заметить, что прохождение линейно поляризованного света через четвертьволновую пластинку[en] под углом, отличным от 45 °, обычно приводит к эллиптической поляризации. Считается, что поле имеет правую круговую поляризацию, если с точки зрения источника, смотрящего в том же направлении, что и направление распространения волны, вектор электрического поля E вращается по часовой стрелке. Вторая анимация – это иллюстрация левосторонней круговой поляризации (вращение вектора электрического поля E против часовой стрелки) с использованием того же правила. Это определение соответствует стандарту Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) и поэтому обычно используется в инженерном сообществе[1][2][3]. Радиоастрономы также используют это определение в соответствии с резолюцией Международного астрономического союза (МАС), принятой в 1973 г. [4] В литературе по оптике часто используется альтернативное определение, когда направление вращения вектора поляризации рассматривается с точки зрения приемника Это определение также используется в работах членов международного объединения учёных и инженеров в области оптики и фотоники —Общества оптики и фотоники (SPIE). Во многих учебниках физики, посвященных оптике, используется второе определение, когда свет описывается с точки зрения приемника]. Чтобы избежать путаницы, при обсуждении вопросов поляризации рекомендуется указывать «определено с точки зрения источника» или «определено с точки зрения приемника».
Известно, что свет с левой и правой круговой поляризацией по-разному поглощается при прохождении через растворы оптически активных молекул. Это явление дифференциального поглощения света называется круговой дихроизм или циркулярный дихроизм. Круговой дихроизм является основой формы спектроскопии, которую используют для определения оптической изомерии и вторичной структуры молекул. Круговой дихроизм проявляется в большинстве биологических молекул из-за правовращающих[en] (например, некоторых сахаров) и левовращающих[en] (например, некоторых аминокислот) молекул, которые они содержат. Примечательно также, что вторичная структура биологических молекул также будет создавать отдельный круговой дихроизм своими соответствующими молекулам. Поэтому альфа-спираль, бета-лист и области случайных клубков[en] белков и двойная спираль[en] нуклеиновых кислот имеют характерные проявления кругового дихроизма спектральных сигналов, характеризующие их структуры. Кроме того, при правильно подобранных условиях даже нехиральные молекулы, то есть абсолютно зеркально симметричные молекулы, будут проявлять магнитный круговой дихроизм, индуцированный магнитным полем.
Круговая поляризация в природе
В природе известно лишь несколько механизмов, которые систематически производят свет с круговой поляризацией. В 1911 году Альберт Майкельсон обнаружил, что свет, отраженный от золотого жука-скарабея Chrysina resplendens, имеет преимущественно левую поляризацию. С тех пор круговая поляризация была обнаружена у нескольких других жуков-скарабеев, таких как Chrysina gloriosa, а также у некоторых ракообразных, таких как креветка-богомол. В этих случаях основным механизмом является спиральность хитиновой кутикулы на молекулярном уровне.Биолюминесценция личинок светлячков также имеет круговую поляризацию, как это сообщалось в 1980 году для видов Photuris lucicrescens и Photuris versicolor. Для светлячков труднее найти микроскопическое объяснение поляризации, потому что было обнаружено, что левый и правый фонари личинок излучают поляризованный свет противоположных вращений. Авторы предполагают, что первоначально излучается линейно поляризованный свет из-за неоднородностей внутри выровненных фотоцитов[en] , и он становится циркулярно поляризованным, проходя через ткань с линейным двойным лучепреломлением.
Границы раздела вода-воздух являются еще одним источником круговой поляризации. Солнечный свет, который рассеивается обратно поверхностью, имеет линейную поляризацию. Если этот свет затем полностью внутренне отражается обратно вниз, его вертикальная составляющая претерпевает фазовый сдвиг. Таким образом, для подводного наблюдателя, смотрящего вверх, слабый свет окна Снелла частично имеет круговую поляризацию. Более слабые источники круговой поляризации в природе включают многократное рассеяние на линейных поляризаторах, например, при круговой поляризации звёздного света, и избирательное поглощение средами с круговым дихроизмом.Сообщается, что два вида креветок-богомолов способны обнаруживать круговую поляризацию света.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную), существующую в отсутствии поля. В некоторых случаях поляризация диэлектриков проявляется под действием механических напряжений. Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью. Осуществляется благодаря сдвигу ионов относительно друг друга, деформации электронных оболочек отдельных атомов, молекул, ионов, либо ориентации электрических диполей, существовавших в диэлектрике и в отсутствие электрического поля. В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов, всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные - в направлении вектора напряженности поля , отрицательные - в обратном направлении. У разных материалов разная диэлектрическая проницаемость. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока — около 80.

\
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Ландсберг Г. С. . — Изд. 6-е стереот.. — М.: Физматлит, 2003. — 848 с. — ISBN 5-9221-0314-8..
Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. — М.: «Наука», 1973. — 720 с.
Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1984. Джексон Дж. Классическая электродинамика / пер. с английского Г. В. Воскресенского и Л. С. Соловьева; под редакцией Э. Л. Бурштейна. — М.: Мир, 1965. — С. 703.
Jackson, John D. Classical Electrodynamics (3rd ed.). — Wiley, 1998. — ISBN 0-471-30932-X.
Joseph Shapira, Shmuel Y. Miller. CDMA radio with repeaters. — Springer, 2007. — ISBN 0-387-26329-2.
Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1984.