Кратко и по существу — как и зачем используется поляризация в оптических приборах и что можно выявить методом поляризационного анализа.
1) Основные приёмы и приборы
- Поляризаторы/анализаторы (плёночные, поляризационные призмы, винтовые поляризаторы). Используют для выделения определённой компоненты поля по направлению вектора электрического поля.
- Поляризационные очки: блокируют компоненту яркого блика (обычно горизонтальную). Для неполяризованного света поляризатор даёт $I=I_0/2$; для уже поляризованного по углу $\theta$ — закон Малюса: $$I=I_0{\cos }^2\theta .$$ - Волновые пластинки (ретардеры): вводят фазовый сдвиг $\delta$ между ортогональными компонентами; четвертьволновая имеет $\delta =\pi /2$, полуволновая $\delta =\pi$. Jones-матрица в осях быстрой/медленной: $$J_{\text{wp}}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{i\delta }\end{array}\right).$$ - Поляризационные интерферометры и модуляторы (Wollaston, PBS, модуль АОД/ЭОП): используют различное поведение s- и p-компонент на границах, чтобы получать интерференционные сигналы, чувствительные к фазе между поляризациями.
- Эллипсометрия/поляриметрия: измеряют изменение поляризации при отражении/преломлении для определения толщины и оптических констант тонких плёнок и материалов. Стандартное представление: отношение комплексных коэффициентов отражения для p и s-поляризации $\rho$ задают через параметры $\Psi ,\Delta$: $$\rho =\frac{r_p}{r_s}=\tan \Psi e^{i\Delta }.$$ - Микроскопия с поляризационным контрастом, поляризационно-селективная оптическая когерентная томография (PS-OCT), магнито-оптические методы (Faraday/Kerr) — все используют изменение поляризации как чувствительный признак структуры/поля.
2) Формализм измерений (коротко)
- Вектор Джонса для когерентного полного поляризованного излучения: $\mathbf{E}=\left(\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right)$.
- Вектор Стокса для частично поляризованного света: $\mathbf{S}=(S_0,S_1,S_2,S_3)$, где, например, $$S_0=I_H+I_V,S_1=I_H-I_V,S_2=I_{+45}-I_{-45},S_3=I_R-I_L.$$ Степень поляризации: $$P=\frac{\sqrt{S_1^2+S_2^2+S_3^2}}{S_0}.$$
3) Что можно обнаружить поляризационным анализом (явления и применения)
- Бирефрингенция (двуголие, анизотропия): измеряется через ввод фазового сдвига между ортогон. компонентами; даёт информацию о внутреннем напряжении, ориентации молекул (фотоэластичность, полимерная структура, биологические волокна).
- Дихроизм и анизотропное поглощение: различная потеря интенсивности для разных поляризаций — информирует о молекулярной ориентации и составе.
- Оптическая активность (вращение плоскости поляризации) и круговой дихроизм — чувствительны к хиральным (хиральность) структурам, используются в биохимии для анализа белков.
- Тонкоплёночные интерференции и толщина/оптические константы — через эллипсометрию (см. $\Psi ,\Delta$).
- Стресс/механические напряжения в стекле и пластике — визуализация в поляризованном свете (петли цвета в полярископе).
- Отражения и отблески: Brewster-угол для полного устранения отражённой p-компоненты: $$\tan {\theta }_B=\frac{n_2}{n_1}.$$ Поляризационный анализ помогает отделять поверхностные блики от полезного сигнала.
- Магнито-оптические эффекты (Faraday/Kerr) — измерение магнитного поля или магнитной структуры через вращение поляризации.
- Рассеяние и аэрозоли/атмосферные частицы: поляризация рассеянного света даёт информацию о размере и форме частиц (дистанционное зондирование).
- Деполяризация и неоднородности: степень деполяризации указывает на множественные рассеяния или сложную микроструктуру (медицина, ткани).
4) Примеры практического использования
- Поляризационные очки: уменьшение блеска от дорог/воды, улучшение контраста.
- Эллипсометрия: определение толщины наноплёнок с точностью до единиц нм и комплексного показателя преломления.
- Фотоэластичность: проектирование и контроль прочности деталей (визуализация линий напряжения).
- Биомедицина: выявление анизотропных структур (коллаген), диагностика изменений в ткани.
- Металлургия/плёнки: контроль ориентировки кристаллов и внутренних напряжений.
5) Ограничения и практические замечания
- Часто требуется когерентность и стабильность фазы/поляризации; многократные рассеяния приводят к деполяризации.
- Для количественных измерений нужны калибровка поляризаторов, компенсация хроматизма ретардеров и учет спектральных характеристик.
Заключение: поляризационный анализ — мощный инструмент, дающий доступ к анизотропии, фазовым сдвигам и хиральным/магнитным свойствам материалов; применяется от простых очков до продвинутой эллипсометрии и поляризационных интерферометров.