Panoramica
Le ottiche di polarizzazione vengono utilizzate per modificare lo stato di polarizzazione della radiazione incidente.Le nostre ottiche di polarizzazione includono polarizzatori, piastre d'onda/ritardanti, depolarizzatori, rotatori di Faraday e isolatori ottici nelle gamme spettrali UV, visibile o IR.
Rotatore di Faraday da 1064 nm
Isolatore dello spazio libero
Polarizzatore Nd-YAG ad alta potenza
La progettazione ottica si concentra spesso sulla lunghezza d'onda e sull'intensità della luce, trascurandone la polarizzazione.La polarizzazione, tuttavia, è una proprietà importante della luce come onda.La luce è un'onda elettromagnetica e il campo elettrico di quest'onda oscilla perpendicolarmente alla direzione di propagazione.Lo stato di polarizzazione descrive l'orientamento dell'oscillazione dell'onda in relazione alla direzione di propagazione.La luce si dice non polarizzata se la direzione di questo campo elettrico fluttua casualmente nel tempo.Se la direzione del campo elettrico della luce è ben definita, si parla di luce polarizzata.La fonte più comune di luce polarizzata è un laser.A seconda di come è orientato il campo elettrico, classifichiamo la luce polarizzata in tre tipi di polarizzazioni:
★Polarizzazione lineare: l'oscillazione e la propagazione avvengono su un unico piano.Thecampo elettrico della luce polarizzata linearmente cconsiste di due perpendicolari, uguali in ampiezza, lineari componenti che non hanno differenza di fase.Il campo elettrico risultante della luce è confinato su un unico piano lungo la direzione di propagazione.
★Polarizzazione circolare: l'orientamento della luce cambia nel tempo in modo elicoidale.Il campo elettrico della luce è costituito da due componenti lineari perpendicolari tra loro, uguali in ampiezza, ma con una differenza di fase di π/2.Il campo elettrico risultante della luce ruota in un cerchio attorno alla direzione di propagazione.
★Polarizzazione ellittica: il campo elettrico della luce polarizzata ellitticamente descrive un'ellisse, rispetto ad un cerchio mediante polarizzazione circolare.Questo campo elettrico può essere considerato come la combinazione di due componenti lineari con ampiezze diverse e/o una differenza di fase diversa da π/2.Questa è la descrizione più generale della luce polarizzata, e la luce polarizzata circolare e lineare può essere vista come casi speciali di luce polarizzata ellitticamente.
I due stati di polarizzazione lineare ortogonale sono spesso indicati come “S” e “P”,Essisono definiti dal loro orientamento relativo rispetto al piano di incidenza.Luce polarizzata Pche oscilla parallelamente a questo piano sono “P”, mentre la luce polarizzata s che ha un campo elettrico polarizzato perpendicolare a questo piano sono “S”.Polarizzatorisono elementi ottici chiave per controllare la polarizzazione, trasmettendo lo stato di polarizzazione desiderato mentre riflettono, assorbono o deviano il resto.Esiste un'ampia varietà di tipi di polarizzatori, ciascuno con i propri vantaggi e svantaggi.Per aiutarti a selezionare il miglior polarizzatore per la tua applicazione, discuteremo le specifiche del polarizzatore e la guida alla selezione dei polarizzatori.
P e S pol.sono definiti dal loro orientamento relativo rispetto al piano di incidenza
Specifiche del polarizzatore
I polarizzatori sono definiti da alcuni parametri chiave, alcuni dei quali sono specifici dell'ottica di polarizzazione.I parametri più importanti sono:
⊙Trasmissione: questo valore si riferisce alla trasmissione della luce polarizzata linearmente nella direzione dell'asse di polarizzazione oppure alla trasmissione della luce non polarizzata attraverso il polarizzatore.La trasmissione parallela è la trasmissione della luce non polarizzata attraverso due polarizzatori con i rispettivi assi di polarizzazione allineati in parallelo, mentre la trasmissione incrociata è la trasmissione della luce non polarizzata attraverso due polarizzatori con i rispettivi assi di polarizzazione incrociati.Per i polarizzatori ideali, la trasmissione della luce polarizzata linearmente parallela all'asse di polarizzazione è del 100%, la trasmissione parallela è del 50% e la trasmissione incrociata è dello 0%.La luce non polarizzata può essere considerata una combinazione casuale che varia rapidamente di luce polarizzata p ed s.Un polarizzatore lineare ideale trasmetterà solo una delle due polarizzazioni lineari, riducendo l'intensità iniziale non polarizzata I0della metà, cioèIo=Io0/2,quindi la trasmissione parallela (per la luce non polarizzata) è del 50%.Per luce polarizzata linearmente con intensità I0, l'intensità trasmessa attraverso un polarizzatore ideale, I, può essere descritta dalla legge di Malus, cioè,Io=Io0cos2Ødove θ è l'angolo tra la polarizzazione lineare incidente e l'asse di polarizzazione.Vediamo che per gli assi paralleli si ottiene una trasmissione del 100%, mentre per gli assi a 90°, detti anche polarizzatori incrociati, si ha una trasmissione dello 0%, quindi la trasmissione incrociata è dello 0%.Tuttavia nelle applicazioni reali la trasmissione non potrebbe mai essere esattamente dello 0%, pertanto i polarizzatori sono caratterizzati da un rapporto di estinzione come descritto di seguito, che può essere utilizzato per determinare la trasmissione effettiva attraverso due polarizzatori incrociati.
⊙Rapporto di estinzione e grado di polarizzazione: Le proprietà polarizzanti di un polarizzatore lineare sono tipicamente definite dal grado di polarizzazione o dall'efficienza di polarizzazione, ovvero P=(T1-T2)/(T1+T2) e il suo rapporto di estinzione, ovvero ρp=T2/T1dove le principali trasmittanze della luce polarizzata linearmente attraverso un polarizzatore sono T1 e T2.T1 è la massima trasmissione attraverso il polarizzatore e si verifica quando l'asse di trasmissione del polarizzatore è parallelo alla polarizzazione del fascio incidente polarizzato linearmente;T2 è la trasmissione minima attraverso il polarizzatore e si verifica quando l'asse di trasmissione del polarizzatore è perpendicolare alla polarizzazione del raggio incidente polarizzato linearmente.
La prestazione di estinzione di un polarizzatore lineare è spesso espressa come 1 / ρp : 1. Questo parametro varia da meno di 100:1 (il che significa che si ha una trasmissione 100 volte maggiore per la luce polarizzata P rispetto alla luce polarizzata S) per polarizzatori a foglio economici a 106:1 per polarizzatori cristallini birifrangenti di alta qualità.Il rapporto di estinzione varia tipicamente con la lunghezza d'onda e l'angolo di incidenza e deve essere valutato insieme ad altri fattori come il costo, le dimensioni e la trasmissione polarizzata per una determinata applicazione.Oltre al rapporto di estinzione, possiamo misurare le prestazioni di un polarizzatore caratterizzandone l'efficienza.Il grado di efficienza della polarizzazione è chiamato “contrasto”, questo rapporto è comunemente usato quando si considerano applicazioni in condizioni di scarsa illuminazione in cui le perdite di intensità sono critiche.
⊙Angolo di accettazione: l'angolo di accettazione è la deviazione maggiore dall'angolo di incidenza di progetto alla quale il polarizzatore funzionerà ancora entro le specifiche.La maggior parte dei polarizzatori sono progettati per funzionare con un angolo di incidenza di 0° o 45° o con l'angolo di Brewster.L'angolo di accettazione è importante per l'allineamento ma ha particolare importanza quando si lavora con raggi non collimati.La griglia metallica e i polarizzatori dicroici hanno gli angoli di accettazione più ampi, fino ad un angolo di accettazione completo di quasi 90°.
⊙Costruzione: i polarizzatori sono disponibili in molte forme e design.I polarizzatori a film sottile sono film sottili simili ai filtri ottici.I divisori di fascio a piastre polarizzanti sono piastre sottili e piatte posizionate ad angolo rispetto al fascio.I divisori di fascio a cubo polarizzante sono costituiti da due prismi ad angolo retto montati insieme sull'ipotenusa.
I polarizzatori birifrangenti sono costituiti da due prismi cristallini montati insieme, dove l'angolo dei prismi è determinato dal design specifico del polarizzatore.
⊙Apertura trasparente: l'apertura trasparente è in genere più restrittiva per i polarizzatori birifrangenti poiché la disponibilità di cristalli otticamente puri limita la dimensione di questi polarizzatori.I polarizzatori dicroici hanno le aperture trasparenti più grandi disponibili poiché la loro fabbricazione si presta a dimensioni più grandi.
⊙Lunghezza del percorso ottico: la lunghezza che la luce deve percorrere attraverso il polarizzatore.Importanti per la dispersione, le soglie di danno e i vincoli di spazio, le lunghezze del percorso ottico possono essere significative nei polarizzatori birifrangenti ma solitamente sono brevi nei polarizzatori dicroici.
⊙Soglia di danno: la soglia di danno del laser è determinata dal materiale utilizzato e dal design del polarizzatore, con i polarizzatori birifrangenti che in genere hanno la soglia di danno più alta.Il cemento è spesso l'elemento più suscettibile ai danni del laser, motivo per cui i divisori di fascio a contatto ottico o i polarizzatori birifrangenti distanziati in aria hanno soglie di danno più elevate.
Guida alla selezione del polarizzatore
Esistono diversi tipi di polarizzatori tra cui dicroico, cubo, griglia metallica e cristallino.Nessun tipo di polarizzatore è ideale per ogni applicazione, ognuno ha i suoi punti di forza e di debolezza unici.
I polarizzatori dicroici trasmettono uno stato di polarizzazione specifico bloccando tutti gli altri.La costruzione tipica è costituita da un singolo substrato rivestito o pellicola polimerica dicroica, inserito tra due lastre di vetro.Quando un raggio naturale trasmette attraverso il materiale dicroico, una delle componenti di polarizzazione ortogonale del raggio viene fortemente assorbita e l'altra si spegne con un debole assorbimento.Pertanto, il polarizzatore a foglio dicroico può essere utilizzato per convertire il raggio polarizzato casualmente in un raggio polarizzato linearmente.Rispetto ai prismi polarizzatori, il polarizzatore a foglio dicroico offre dimensioni molto maggiori e un angolo accettabile. Anche se si noterà un elevato rapporto estinzione/costo, la costruzione limita l'uso di laser ad alta potenza o alte temperature.I polarizzatori dicroici sono disponibili in un'ampia gamma di forme, che vanno dalla pellicola laminata a basso costo ai polarizzatori di precisione ad alto contrasto.
I polarizzatori dicroici assorbono lo stato di polarizzazione indesiderato
I divisori di fascio a cubo polarizzante sono realizzati unendo due prismi ad angolo retto con un'ipotenusa rivestita.Il rivestimento polarizzante è tipicamente costituito da strati alternati di materiali ad alto e basso indice che riflettono la luce polarizzata S e trasmettono P. Il risultato sono due raggi ortogonali in una forma facile da montare e allineare.I rivestimenti polarizzanti in genere possono resistere ad un'elevata densità di potenza, tuttavia gli adesivi utilizzati per cementare i cubi possono cedere.Questa modalità di guasto può essere eliminata mediante contatto ottico.Mentre in genere vediamo un contrasto elevato per il raggio trasmesso, il contrasto riflesso è solitamente inferiore.
I polarizzatori a griglia metallica presentano una serie di fili microscopici su un substrato di vetro che trasmette selettivamente la luce polarizzata P e riflette la luce polarizzata S.A causa della natura meccanica, i polarizzatori a griglia metallica presentano una banda di lunghezze d'onda limitata solo dalla trasmissione del substrato, rendendoli ideali per applicazioni a banda larga che richiedono polarizzazione ad alto contrasto.
Viene trasmessa la polarizzazione perpendicolare ai fili metallici
Il polarizzatore cristallino trasmette la polarizzazione desiderata e devia il resto utilizzando le proprietà birifrangenti dei materiali cristallini
I polarizzatori cristallini utilizzano le proprietà birifrangenti del substrato per alterare lo stato di polarizzazione della luce in entrata.I materiali birifrangenti hanno indici di rifrazione leggermente diversi per la luce polarizzata in diversi orientamenti, facendo sì che i diversi stati di polarizzazione viaggino attraverso il materiale a velocità diverse.
I polarizzatori Wollaston sono un tipo di polarizzatori cristallini costituiti da due prismi birifrangenti ad angolo retto cementati insieme, in modo che i loro assi ottici siano perpendicolari.Inoltre, l'elevata soglia di danno dei polarizzatori cristallini li rende ideali per le applicazioni laser.
Polarizzatore di Wollaston
La vasta gamma di polarizzatori di Paralight Optics include divisori di fascio a cubo polarizzante, PBS a due canali ad alte prestazioni, divisori di fascio a cubo polarizzatore ad alta potenza, divisori di fascio a piastra polarizzante a 56°, divisori di fascio a piastra polarizzante a 45°, polarizzatori a fogli dicroici, polarizzatori lineari a nanoparticelle, polarizzatori birifrangenti o cristallini (Glan Polarizzatori Taylor, polarizzatori laser Glan, polarizzatori Glan Thompson, polarizzatori Wollaston, polarizzatori Rochon), polarizzatori circolari variabili e dislocatori/combinatori del fascio polarizzante.
Polarizzatori di linea laser
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