مستقطب

تُظهر بعض البلورات ، بفضل التأثيرات الموصوفة في علم البصريات البلورية ، ظاهرة ثنائية اللون ، أي امتصاصًا تفضيليًا للضوء المستقطب في اتجاهات محددة. ولذلك، يمكن استخدامها كمستقطبات خطية. يُعد التورمالين أشهر بلورة من هذا النوع . مع ذلك، نادرًا ما تُستخدم هذه البلورة كمستقطب، لأن تأثير ثنائية اللون يعتمد بشدة على الطول الموجي، وتظهر البلورة ملونة. كما أن الهيراباثيت ثنائي اللون أيضًا، ولكنه ليس ملونًا بشكل واضح، ويصعب إنماؤه على شكل بلورات كبيرة.

يعمل مرشح الاستقطاب بولارويد على مستوى ذري مشابه لمرشح الاستقطاب الشبكي السلكي. كان يُصنع في الأصل من بلورات هيراباثيت مجهرية. أما شكله الحالي، وهو عبارة عن صفيحة على شكل حرف H، فيُصنع من بلاستيك كحول البولي فينيل (PVA) المُطعّم باليود . يؤدي شد الصفيحة أثناء التصنيع إلى اصطفاف سلاسل PVA في اتجاه واحد محدد. تستطيع إلكترونات التكافؤ من اليود المُطعّم التحرك خطيًا على طول سلاسل البوليمر، ولكن ليس بشكل عرضي عليها. لذلك، يمتص المرشح الضوء الساقط المستقطب بالتوازي مع السلاسل، بينما ينفذ الضوء المستقطب عموديًا عليها. إن متانة مرشح بولارويد وسهولة استخدامه تجعله النوع الأكثر شيوعًا من مرشحات الاستقطاب، على سبيل المثال في النظارات الشمسية ، ومرشحات التصوير الفوتوغرافي ، وشاشات الكريستال السائل . كما أنه أرخص بكثير من أنواع مرشحات الاستقطاب الأخرى.

يُصنع نوع حديث من المستقطبات الامتصاصية من جزيئات نانوية فضية متطاولة مُدمجة في  ألواح زجاجية رقيقة (≤ 0.5 مم). تتميز هذه المستقطبات بمتانتها العالية، وقدرتها على استقطاب الضوء بكفاءة تفوق بكثير أفلام بولارويد البلاستيكية، حيث تصل نسبة الاستقطاب إلى 100,000:1، بينما لا تتجاوز نسبة امتصاص الضوء المستقطب بشكل صحيح 1.5%. ^{[ 5 ]} تُعدّ هذه المستقطبات الزجاجية مثاليةً للأشعة تحت الحمراء ذات الأطوال الموجية الطويلة ، وتُستخدم على نطاق واسع في اتصالات الألياف الضوئية .

تقوم مستقطبات تقسيم الحزمة بتقسيم الحزمة الساقطة إلى حزمتين مختلفتين في الاستقطاب الخطي . في مستقطب الحزمة المثالي، تكون هاتان الحزمتان مستقطبتين بالكامل، باستقطابين متعامدين. مع ذلك، في العديد من مستقطبات تقسيم الحزمة الشائعة، تكون إحدى الحزمتين الخارجتين فقط مستقطبة بالكامل، بينما تحتوي الأخرى على مزيج من حالات الاستقطاب.

على عكس المستقطبات الامتصاصية، لا تحتاج مستقطبات تقسيم الحزمة إلى امتصاص وتبديد طاقة حالة الاستقطاب المرفوضة، ولذا فهي أكثر ملاءمة للاستخدام مع الحزم عالية الكثافة مثل ضوء الليزر . كما أن مقسمات الحزمة الاستقطابية الحقيقية مفيدة عند تحليل أو استخدام مكوني الاستقطاب في آنٍ واحد.

الاستقطاب بواسطة انعكاس فرينل

عندما ينعكس الضوء (بانعكاس فرينل) بزاوية معينة من سطح فاصل بين مادتين شفافتين، تختلف معامل الانعكاس للضوء المستقطب في مستوى السقوط عن الضوء المستقطب عموديًا عليه. يُقال إن الضوء المستقطب في مستوى السقوط مستقطب استقطابًا p ، بينما يُقال إن الضوء المستقطب عموديًا عليه مستقطب استقطابًا s . عند زاوية خاصة تُعرف بزاوية بروستر ، لا ينعكس أي ضوء مستقطب استقطابًا p من السطح، وبالتالي فإن جميع الضوء المنعكس يكون مستقطبًا استقطابًا s ، مع وجود مجال كهربائي عمودي على مستوى السقوط.

يمكن صنع مستقطب خطي بسيط بإمالة مجموعة من الألواح الزجاجية بزاوية بروستر بالنسبة للشعاع. ينعكس جزء من الضوء المستقطب عموديًا (s) من كل سطح من أسطح الألواح. بالنسبة لمجموعة الألواح، يؤدي كل انعكاس إلى تقليل كمية الضوء المستقطب عموديًا (s) في الشعاع الساقط ، مما يترك نسبة أكبر من الضوء المستقطب عموديًا (p) في الشعاع النافذ في كل مرحلة. بالنسبة للضوء المرئي في الهواء والزجاج العادي، تبلغ زاوية بروستر حوالي 57 درجة، وينعكس حوالي 16% من الضوء المستقطب عموديًا (s) الموجود في الشعاع لكل انتقال من الهواء إلى الزجاج أو العكس. يتطلب الأمر عددًا كبيرًا من الألواح لتحقيق استقطاب متوسط ​​للشعاع النافذ بهذه الطريقة. بالنسبة لمجموعة من 10 ألواح (20 انعكاسًا)، ينفذ حوالي 3% (=  (1  −  0.16) ²⁰ ) من الضوء المستقطب عموديًا (s) . الشعاع المنعكس، على الرغم من استقطابه الكامل، يكون متفرقًا وقد لا يكون مفيدًا جدًا.

يمكن الحصول على شعاع مستقطب أكثر فعالية بإمالة مجموعة الصفائح بزاوية أكبر بالنسبة للشعاع الساقط. وعلى عكس المتوقع، فإن استخدام زوايا سقوط أكبر من زاوية بروستر يُنتج درجة استقطاب أعلى للشعاع النافذ ، على حساب انخفاض النقل الكلي. بالنسبة لزوايا السقوط التي تزيد عن 80 درجة، يمكن أن يقترب استقطاب الشعاع النافذ من 100% باستخدام أربع صفائح فقط، على الرغم من أن شدة النقل تكون منخفضة جدًا في هذه الحالة. ^{[ 6 ]} إضافة المزيد من الصفائح وتقليل الزاوية يسمح بتحقيق توازن أفضل بين النقل والاستقطاب.

نظراً لأن متجهات الاستقطاب الخاصة بها تعتمد على زاوية السقوط، فإن المستقطبات القائمة على انعكاس فريسنل تميل بطبيعتها إلى إنتاج استقطاب s – p بدلاً من الاستقطاب الديكارتي، مما يحد من استخدامها في بعض التطبيقات.

مستقطبات ثنائية الانكسار

تستغل بعض المستقطبات الخطية الأخرى خاصية الانكسار المزدوج للبلورات مثل الكوارتز والكالسيت . في هذه البلورات، ينقسم شعاع الضوء غير المستقطب الساقط على سطحها إلى شعاعين بفعل الانكسار . ينطبق قانون سنيل على كلا الشعاعين، الشعاع العادي ( أو الشعاع o) والشعاع غير العادي (أو الشعاع e) ، حيث يخضع كل شعاع لمعامل انكسار مختلف (وهذا ما يُسمى الانكسار المزدوج). عمومًا، يكون الشعاعان في حالتي استقطاب مختلفتين، باستثناء حالات الاستقطاب الخطي في اتجاهات انتشار معينة بالنسبة لمحور البلورة.

كان موشور نيكول نوعًا مبكرًا من المستقطبات ثنائية الانكسار، ويتكون من بلورة من الكالسيت تم شطرها وإعادة وصلها ببلسم كندا . تُقطع البلورة بحيث تكون الأشعة o و e في حالتي استقطاب خطي متعامدتين. يحدث انعكاس داخلي كلي للأشعة o عند سطح التلامس مع البلسم، نظرًا لأن معامل انكسارها في الكالسيت أكبر منه في البلسم، فينحرف الشعاع إلى جانب البلورة. أما الأشعة e ، التي يكون معامل انكسارها في الكالسيت أصغر، فتنفذ عبر سطح التلامس دون انحراف. تُنتج موشورات نيكول ضوءًا مستقطبًا عالي النقاء، وقد استُخدمت على نطاق واسع في المجهر ، إلا أنها استُبدلت في الغالب في الاستخدامات الحديثة ببدائل مثل موشورات غلان-تومسون ، وغلان-فوكو ، وغلان-تايلور . هذه الموشورات ليست مقسمات حزم استقطابية حقيقية لأن الحزمة المنقولة فقط هي المستقطبة بالكامل.

منشور وولاستون هو مستقطب ثنائي الانكسار يتكون من منشورين مثلثين من الكالسيت، لهما محاور بلورية متعامدة، ملتصقين ببعضهما. عند السطح الداخلي، ينقسم شعاع غير مستقطب إلى شعاعين مستقطبين خطيًا، يخرجان من المنشور بزاوية تباعد تتراوح بين 15° و45°. يتشابه منشورا روشون وسينارمون ، لكنهما يستخدمان اتجاهات محاور بصرية مختلفة. منشور سينارمون مفصول بالهواء، على عكس منشوري وولاستون وروشون . هذه المنشورات تقسم الشعاع فعليًا إلى شعاعين مستقطبين تمامًا باستقطاب متعامد. منشور نومارسكي هو نوع من منشور وولاستون، ويُستخدم على نطاق واسع في مجهر التباين التفاضلي التداخلي .

توجد عدة طرق لإنتاج ضوء مستقطب دائريًا، وأرخصها وأكثرها شيوعًا هي وضع صفيحة ربع موجة بعد مستقطب خطي ، وتوجيه الضوء غير المستقطب عبر المستقطب الخطي. يتحول الضوء المستقطب خطيًا الخارج من المستقطب الخطي إلى ضوء مستقطب دائريًا بواسطة صفيحة ربع الموجة. يجب أن يكون محور نقل الضوء في المستقطب الخطي في منتصف المسافة (45 درجة) بين المحورين السريع والبطيء لصفيحة ربع الموجة.

في الترتيب الموضح أعلاه، يميل محور نقل المستقطب الخطي بزاوية 45° موجبة بالنسبة للخط الأفقي الأيمن، ويُمثَّل بخط برتقالي. أما صفيحة ربع الموجة، فلها محور أفقي بطيء ومحور رأسي سريع، ويُمثَّلان أيضًا بخطوط برتقالية. في هذه الحالة، يظهر الضوء غير المستقطب الداخل إلى المستقطب الخطي كموجة واحدة يتغير سعتها وزاوية استقطابها الخطي فجأة.

عند محاولة تمرير ضوء غير مستقطب عبر المستقطب الخطي، فإن الضوء الذي يكون مجاله الكهربائي بزاوية 45° موجبة فقط هو الذي يخرج من المستقطب ويدخل إلى صفيحة ربع الموجة. في الرسم التوضيحي، تتحول الأطوال الموجية الثلاثة للضوء غير المستقطب إلى الأطوال الموجية الثلاثة للضوء المستقطب خطيًا على الجانب الآخر من المستقطب الخطي.

في الرسم التوضيحي على اليمين، يظهر المجال الكهربائي للضوء المستقطب خطيًا قبل دخوله مباشرةً إلى صفيحة ربع الموجة. يُمثل الخط الأحمر ومتجهات المجال المرتبطة به كيفية تغير مقدار واتجاه المجال الكهربائي على طول اتجاه انتشار الموجة. بالنسبة لهذه الموجة الكهرومغناطيسية المستوية، يُمثل كل متجه مقدار واتجاه المجال الكهربائي لمستوى كامل عمودي على اتجاه انتشار الموجة. (للاطلاع على فهم أفضل، يُرجى الرجوع إلى هاتين الصورتين في مقال الموجة المستوية).

للضوء وجميع الموجات الكهرومغناطيسية الأخرى مجال مغناطيسي متوافق في الطور وعمودي على المجال الكهربائي الموضح في هذه الرسوم التوضيحية.

To understand the effect the quarter-wave plate has on the linearly polarized light it is useful to think of the light as being divided into two components which are at right angles (orthogonal) to each other. Towards this end, the blue and green lines are projections of the red line onto the vertical and horizontal planes respectively and represent how the electric field changes in the direction of those two planes. The two components have the same amplitude and are in phase.

Because the quarter-wave plate is made of a birefringent material, when in the wave plate, the light travels at different speeds depending on the direction of its electric field. This means that the horizontal component which is along the slow axis of the wave plate will travel at a slower speed than the component that is directed along the vertical fast axis. Initially the two components are in phase, but as the two components travel through the wave plate the horizontal component of the light drifts farther behind that of the vertical. By adjusting the thickness of the wave plate one can control how much the horizontal component is delayed relative to vertical component before the light leaves the wave plate and they begin again to travel at the same speed. When the light leaves the quarter-wave plate the rightward horizontal component will be exactly one quarter of a wavelength behind the vertical component making the light left-hand circularly polarized when viewed from the receiver.^[11]

At the top of the illustration toward the right is the circularly polarized light after it leaves the wave plate. Directly below it, for comparison purposes, is the linearly polarized light that entered the quarter-wave plate. In the upper image, because this is a plane wave, each vector leading from the axis to the helix represents the magnitude and direction of the electric field for an entire plane that is perpendicular to the direction of travel. All the electric field vectors have the same magnitude indicating that the strength of the electric field does not change. The direction of the electric field however steadily rotates.

الخطان الأزرق والأخضر هما إسقاطان للحلزون على المستويين الرأسي والأفقي على التوالي، ويوضحان كيفية تغير المجال الكهربائي في اتجاه هذين المستويين. لاحظ كيف أصبح المركب الأفقي المتجه لليمين متأخرًا بمقدار ربع طول موجي عن المركب الرأسي. هذا الفرق الطوري البالغ ربع طول موجي هو ما يُسبب الطبيعة الدورانية للمجال الكهربائي. عندما تكون قيمة أحد المركبين في أقصى حد لها، تكون قيمة المركب الآخر دائمًا صفرًا. لهذا السبب توجد متجهات حلزونية تُطابق تمامًا القيم القصوى للمركبتين.

في المثال المذكور آنفًا، وباستخدام اصطلاح اليدوية المُستخدم في العديد من كتب البصريات، يُعتبر الضوء مستقطبًا دائريًا عكس عقارب الساعة. وبالرجوع إلى الرسوم المتحركة المصاحبة، يُعتبر الضوء مستقطبًا دائريًا عكس عقارب الساعة لأنه إذا وجّه المرء إبهامه الأيسر عكس اتجاه انتشار الضوء، فإن أصابعه ستلتف في اتجاه دوران المجال الكهربائي عندما تمر الموجة بنقطة معينة في الفضاء. كما يُشكّل اللولب أيضًا لولبًا عكس عقارب الساعة في الفضاء. وبالمثل، يُعتبر هذا الضوء مستقطبًا دائريًا عكس عقارب الساعة لأنه إذا واجه مراقب ثابت اتجاه انتشار الضوء، فسيرى مجاله الكهربائي يدور عكس عقارب الساعة عندما تمر الموجة بنقطة معينة في الفضاء. ^{[ 11 ]}

لإنتاج ضوء مستقطب دائريًا باتجاه عقارب الساعة، يتم ببساطة تدوير محور صفيحة ربع الموجة بزاوية 90 درجة بالنسبة للمستقطب الخطي. يؤدي هذا إلى عكس محوري السرعة والبطء لصفيحة الموجة بالنسبة لمحور نقل المستقطب الخطي، مما يعكس أي مكون يتقدم وأي مكون يتأخر.

عند محاولة فهم كيفية تحويل صفيحة ربع الموجة للضوء المستقطب خطيًا، من المهم إدراك أن المكونين المذكورين ليسا كيانين مستقلين، بل مجرد مفاهيم ذهنية تُستخدم لفهم ما يحدث. في حالة الضوء المستقطب خطيًا ودائريًا، يوجد دائمًا في كل نقطة في الفضاء مجال كهربائي واحد ذو اتجاه متجه مميز، وتقتصر وظيفة صفيحة ربع الموجة على تحويل هذا المجال الكهربائي.

يمكن استخدام المستقطبات الدائرية لامتصاص أو تمرير الضوء المستقطب دائريًا يمينًا أو يسارًا بشكل انتقائي. هذه الخاصية هي التي تستخدمها النظارات ثلاثية الأبعاد في دور السينما المجسمة مثل RealD Cinema . المستقطب الذي يُنتج أحد استقطابي الضوء سيمرر نفس الاستقطاب عند تمرير الضوء من خلاله في الاتجاه المعاكس، بينما سيحجب الضوء ذي الاستقطاب المعاكس.

الرسم التوضيحي أعلاه مطابق للرسم التوضيحي السابق المماثل باستثناء أن الضوء المستقطب دائريًا يساريًا يقترب الآن من المستقطب من الاتجاه المعاكس، بينما يخرج الضوء المستقطب خطيًا من المستقطب باتجاه اليمين.

لاحظ أولًا أن صفيحة ربع الموجة تحوّل دائمًا الضوء المستقطب دائريًا إلى ضوء مستقطب خطيًا. وتتحدد زاوية استقطاب الضوء المستقطب خطيًا فقط باتجاه المحورين السريع والبطيء لصفيحة ربع الموجة، وباتجاه استقطاب الضوء المستقطب دائريًا. في الرسم التوضيحي، يتحول الضوء المستقطب دائريًا يساريًا الداخل إلى المستقطب إلى ضوء مستقطب خطيًا، ويكون اتجاه استقطابه موازيًا لمحور النقل للمستقطب الخطي، وبالتالي يمر. في المقابل، كان الضوء المستقطب دائريًا يمينيًا سيتحول إلى ضوء مستقطب خطيًا، ويكون اتجاه استقطابه موازيًا لمحور الامتصاص للمستقطب الخطي، وهو عمودي على محور النقل، وبالتالي كان سيُحجب.

لفهم هذه العملية، انظر إلى الرسم التوضيحي على اليمين. إنه مطابق تمامًا للرسم التوضيحي السابق، على الرغم من أن الضوء المستقطب دائريًا في الأعلى يُعتبر الآن وكأنه يقترب من المستقطب من اليسار. يمكن ملاحظة من الرسم التوضيحي أن المركبة الأفقية المتجهة لليسار (كما تُرى عند النظر على طول اتجاه الحركة) تسبق المركبة الرأسية، وأنه عندما تتأخر المركبة الأفقية بمقدار ربع طول موجي، فإنها ستتحول إلى الضوء المستقطب خطيًا الموضح في الأسفل، وسيمر عبر المستقطب الخطي.

هناك طريقة بسيطة نسبيًا لفهم سبب مرور الضوء المستقطب دائريًا، الذي يُنتج اتجاهًا محددًا، عبر نفس الاتجاه. أولًا، نظرًا لفائدة هذه الصورة المزدوجة، تخيّل الضوء المستقطب دائريًا الموضح في الأعلى وهو لا يزال يخرج من صفيحة ربع الموجة ويتجه نحو اليسار. لاحظ أنه لو تم تأخير المركبة الأفقية للضوء المستقطب خطيًا بمقدار ربع طول موجي مرتين، أي ما يعادل نصف طول موجي كامل، لكانت النتيجة ضوءًا مستقطبًا خطيًا بزاوية قائمة على الضوء الداخل. إذا تم تدوير هذا الضوء المستقطب عموديًا على المستوى الأفقي وتوجيهه مرة أخرى عبر قسم المستقطب الخطي من المستقطب الدائري، فسيمر بوضوح نظرًا لاتجاهه. الآن، تخيّل الضوء المستقطب دائريًا الذي مر بالفعل عبر صفيحة ربع الموجة مرة واحدة، ثم استدار وعاد نحو المستقطب الدائري مرة أخرى. دع الضوء المستقطب دائريًا الموضح في الأعلى يُمثل هذا الضوء. سيمر هذا الضوء عبر صفيحة ربع الموجة مرة ثانية قبل وصوله إلى المستقطب الخطي، وخلال هذه العملية، سيتأخر مركّبه الأفقي مرة ثانية بمقدار ربع طول موجي. وسواءً تأخر هذا المركّب الأفقي بمقدار ربع طول موجي على مرحلتين منفصلتين أو بمقدار نصف طول موجي كامل دفعة واحدة، فإن اتجاه الضوء المستقطب خطيًا الناتج سيكون بحيث يمر عبر المستقطب الخطي.

لو كان الضوء مستقطباً دائرياً باتجاه عقارب الساعة يقترب من المستقطب الدائري من اليسار، لكان مكونه الأفقي قد تأخر أيضاً، ومع ذلك فإن الضوء المستقطب خطياً الناتج كان سيستقطب على طول محور امتصاص المستقطب الخطي ولن يمر.

لإنشاء مستقطب دائري يسمح بمرور الضوء المستقطب يمينًا ويمتص الضوء المستقطب يسارًا، يتم تدوير صفيحة الموجة والمستقطب الخطي بزاوية 90 درجة بالنسبة لبعضهما البعض. من السهل إدراك أنه بعكس موضع محوري الإرسال والامتصاص للمستقطب الخطي بالنسبة لصفيحة ربع الموجة، يتغير اتجاه الضوء المستقطب الذي يمر والذي يمتص.

يسمح المستقطب الدائري المتجانس بمرور أحد اتجاهي الاستقطاب الدائري دون تغيير، ويحجب الاتجاه الآخر. وهذا مشابه لكيفية مرور المستقطب الخطي بزاوية واحدة من الضوء المستقطب خطيًا دون تغيير، ولكنه يحجب تمامًا أي ضوء مستقطب خطيًا متعامد معها.

يمكن إنشاء مستقطب دائري متجانس عن طريق وضع مستقطب خطي بين لوحين ربع موجة. ^{[ 12 ]} على وجه التحديد، نأخذ المستقطب الدائري الموصوف سابقًا، والذي يحول الضوء المستقطب دائريًا إلى ضوء مستقطب خطيًا، ونضيف إليه لوحًا ثانيًا ربع موجة مُدارًا بزاوية 90 درجة بالنسبة للأول.

بشكل عام، ودون الرجوع مباشرةً إلى الرسم التوضيحي أعلاه، عندما يدخل أي من استقطابي الضوء المستقطب دائريًا إلى الصفيحة الأولى ذات ربع الموجة، يتأخر أحد المركبتين المتعامدتين بمقدار ربع طول موجي بالنسبة للآخر. ينتج عن ذلك أحد استقطابين خطيين، اعتمادًا على اتجاه استقطاب الضوء المستقطب دائريًا. يتم توجيه المستقطب الخطي المحصور بين صفيحتي ربع الموجة بحيث يسمح بمرور أحد الاستقطابين الخطيين ويحجب الآخر. ثم تأخذ الصفيحة الثانية ذات ربع الموجة الضوء المستقطب خطيًا المار، وتؤخر المركبة المتعامدة التي لم تتأخر بفعل الصفيحة الأولى. هذا يعيد المركبتين إلى وضعهما الطوري الأصلي، مُعيدًا بذلك الاستقطاب الدائري المُختار.

لاحظ أنه لا يهم في أي اتجاه يمر الضوء المستقطب دائريًا.

كانت مرشحات الاستقطاب الخطي أول أنواع المرشحات المستخدمة في التصوير الفوتوغرافي، ولا يزال بالإمكان استخدامها مع الكاميرات غير العاكسة وكاميرات SLR القديمة . مع ذلك، تعتمد الكاميرات المزودة بنظام قياس الضوء عبر العدسة (TTL) وأنظمة التركيز التلقائي - أي جميع كاميرات SLR و DSLR الحديثة - على عناصر بصرية تسمح بمرور الضوء المستقطب خطيًا. إذا كان الضوء الداخل إلى الكاميرا مستقطبًا خطيًا بالفعل، فقد يؤثر ذلك سلبًا على نظام التعريض أو التركيز التلقائي. تعمل مرشحات الاستقطاب الدائري على حجب الضوء المستقطب خطيًا، وبالتالي يمكن استخدامها لتعتيم السماء، وتحسين التشبع، وإزالة الانعكاسات، ولكن الضوء المستقطب دائريًا الذي تسمح بمروره لا يؤثر على أنظمة قياس الضوء عبر العدسة. ^{[ 13 ]}