Filtre polarisador

Un filtre polarisador o polarisador és un filtre òptic format per un material que transmet de forma selectiva una determinada direcció d'oscilació del camp elèctric d'una ona electromagnètica com la llum, bloquejant el restant de "plans de polarisació". Per lo general es tracta d'una película polimèrica a pur de yodo estirada i emparedada entre dos vidres.

Principi de funcionament

La llum és una radiació electromagnètica travessera, és dir, l'oscilació del camp electromagnètic és perpendicular a la seua propagació. En general, fonts lluminoses convencionals, com el Sol, emeten llum en camps elèctrics en qualsevol direcció a la direcció de propagació (pero sempre perpendicular a esta). Pero per diferents mecanismes físics es pot filtrar una sola direcció d'oscilació, en este estat la llum està polarisada.

Llavors, la llum polarisada és aquella que té una determinada direcció d'oscilació. Hi ha tres tipos de llum polarisada: llineal, circular i elíptica. Podem imaginar que el filtre polarisador és com una reixeta que permet únicament el pas de la llum que oscila en el pla paralel al vector normal a la superfície de la reixa. La llum transmesa a l'atre costat del polarisador es considera llum polarisada. En realitat el filtre polarisador comercial consistix en una cadena de polímero estirada al llímit, de modo que les molècules actuen com una reixeta que absorbix fortament una component polarisada de llum i és molt transparent a l'atra component, com descriu la Llei de Malus.

Polarisadors llineals

Els polarisadors llineals poden dividir-se en dos categories generals: els polarisadors d'absorció, en els que els estats de polarisació no desijats són absorbits pel dispositiu, i els polarisadors de divisió del fes, en els que el fes no polarisat es dividix en dos fas en estats de polarisació oposts. Els polarisadors que mantenen els mateixos eixos de polarisació en diferents ànguls d'incidència solen cridar-se polarisadors cartesianos, ya que els vectores de polarisació poden descriure's en un simple coordenades cartesianas (per eixemple, horisontal vs. vertical) independentment de l'orientació de la superfície del polarisador. Quan els dos estats de polarisació són relatius a la direcció d'una superfície (normalment es troben en la reflexió de Fresnel), se solen denominar s i p. Esta distinció entre la polarisació cartesiana i la polarisació s - p pot ser insignificant en molts casos, pero aplega a ser significativa per a conseguir un alt contrast i en àmplies #dispersió angulars de la llum incident.

Polarisadors absorbents

Certs cristals, pels efectes descrits per l'òptica de cristals, presenten dicroísmo, absorció preferent de la llum que es polarisa en determinades direccions. Per tant, poden utilisar-se com a polarisadors llineals. El cristal més conegut d'este tipo és la turmalina. No obstant, este cristal rara volta s'utilisa com a polarisador, ya que l'efecte dicroico depén en gran mida de la llongitut d'ona i el cristal apareix coloreado. La herapatita també és dicroica, i no està fortament coloreada, pero és difícil de cultivar en cristals grans.

Un filtre polarisador Polaroid funciona de forma similar a escala atòmica al polarisador de reixeta. Originalment estava fet de cristals microscòpics de herapatita. La seua forma actual de full H està feta de plàstic alcohol polivinílico (PVA) en un dopage de yodo. El estiramiento de la làmina durant la fabricació fa que les cadenes de PVA s'alineen en una direcció determinada. Els electrons de valència del dopante de yodo són capaços de moure's linealmente a lo llarc de les cadenes d'polímero, pero no transversalmente a elles. Per tant, la llum incident polarisada en paralel a les cadenes és absorbida per la làmina; la llum polarisada en perpendicular a les cadenes és transmesa. La durabilitat i practicidad del Polaroid fa que siga el tipo de polarisador més utilisat, per eixemple para ulleres de sol, filtre fotogràfic i pantalla de cristal líquit. També és molt més barat que atres tipos de polarisadors.

Un tipo modern de polarisador absorbent està fet de nanopartículas d'argent allargades incrustades en fines plaques de vidre (≤0,5 mm). Estos polarisadors són més duradors i poden polarisar la llum molt millor que la película Polaroid de plàstic, conseguint ràtios de polarisació tan alts com 100.000:1 i una absorció de la llum correctament polarisada tan baixa com l'1,5%. Este tipo de polarisadors de vidre funcionen millor per a la llum infrarroja de llongitut d'ona curta, i s'utilisen àmpliament en comunicacions per fibra òptica.

Polarisadors divisores de fes

Els polarisadors divisores de fes dividixen el fes incident en dos fas de diferent polarisació llineal. Per a un divisor de fes polarisat ideal, estos estarien totalment polarisats, en #polarisació ortogonals. No obstant, en molts polarisadors divisores de fes comuns, només un dels dos fas d'eixida està totalment polarisat. L'atre conté una mescla d'estats de polarisació.

A diferència dels polarisadors absorbents, els polarisadors divisores de fes no necessiten absorbir i dissipar l'energia de l'estat de polarisació rebujat, per lo que són més adequats per al seu us en fas d'alta intensitat, com la llum làser. Els divisores de fes de polarisació real també són útils quan els dos components de polarisació deuen ser analisats o utilisats simultàneament.

Polarisació per reflexió de Fresnel

Una pila de plaques en àngul de Brewster sobre un raig reflectix una fracció de la llum polarisada s en cada superfície, deixant un raig polarisat p. La polarisació completa en l'àngul de Brewster requerix moltes més plaques que les mostrades. Les fleches indiquen la direcció del camp elèctric, no del camp magnètic, que és perpendicular al camp elèctric.

Quan la llum es reflectix (per reflexió de Fresnel) en un àngul des d'un interfaç entre dos materials transparents, la reflectividad és diferent per a la llum polarisada en el pla d'incidència i la llum polarisada perpendicularmente a ell. La llum polarisada en el pla es diu que és polarisada p, mentres que la polarisada perpendicularmente és polarisada s. En un àngul especial conegut com àngul de Brewster, cap llum polarisada p es reflectix des de la superfície, per lo que tota la llum reflectida deu ser polarisada s, en un camp elèctric perpendicular al pla d'incidència.

Es pot fabricar un polarisador llineal simple inclinant una pila de plaques de vidre en l'àngul de Brewster sobre el raig. Una part de la llum polarisada en s es reflectix en cada superfície de cada placa. Per a una pila de plaques, cada reflexió agota el fes incident de llum polarisada s, deixant una major fracció de llum polarisada p en el fes transmés en cada etapa. Per a la llum visible en aire i un vidre típic, l'àngul de Brewster és uns 57°, i aproximadament el 16% de la llum polarisada s del fes és reflectida en cada transició aire-vidre o vidre-aire. Es requerix de moltes plaques per a conseguir encara una polarisació mediocre del fes transmés utilisant este método. Per a una pila de 10 plaques (20 reflecciones), un 3% (= (1 − 0.16)²⁰) de la llum polarisada s és transmesa. El fes reflectit, si ben plenament polarisat, es dissemina i pot no ser molt útil.

Es pot obtindre un fes polarisat més útil inclinant la pila de plaques en un àngul més pronunciat sobre el fes incident. Contràriament a l'intuïció, l'us d'ànguls incidents majors que l'àngul de Brewster produïx un major grau de polarisació del fes "transmés", a costa d'una transmissió global reduïda. Per a ànguls d'incidència superiors a 80°, la polarisació del fes transmés pot acostar-se al 100 % en tan sol quatre plaques, encara que l'intensitat transmesa és molt baixa en este cas. Si s'agreguen més plaques i es reduïx l'àngul s'obté un millor compromís entre transmissió i el grau de polarisació que es conseguix.

Un polarisador de reixeta convertix un fes de llum no polarisada en un en una única polarisació llineal. Les fleches de colors representen el vector del camp elèctric. Les ones polarisades diagonalment també contribuïxen a la polarisació transmesa. Els seus components verticals es transmeten (mostrats), mentres que els components horisontals són absorbits i reflectits (no mostrats).

Degut a que els seus vectores de polarisació depenen de l'àngul d'incidència, els polarisadors basats en la reflexió de Fresnel tendixen intrínsecament a produir una polarisació s - p en lloc d'una polarisació cartesiana, lo que llimita el seu us en algunes aplicacions.

Polarisadors birrefringentes

Atres polarisadors llineals exploten les propietats de birefringente de cristals com el cuarzo i la calcita. En estos cristals, un fes de llum no polarisada que incidix en la seua superfície es dividix per refracció en dos rajos. La llei de Snell és vàlida per a abdós rajos, el "ordinari" o "o", i el "extraordinari" o "i", i cada u d'ells té un índex de refracció diferent (lo que es denomina doble refracció). En general, els dos rajos estaran en diferents estats de polarisació, encara que no en estats de polarisació llineal, llevat para certes direccions de propagació relatives a l'eix del cristal.

Un prisma de Nicol va ser un primer tipo de polarisador birrefringente, que consistix en un cristal de calcita que ha segut dividit i unit de nou en bàlsem de Canadà. El cristal està tallat de tal manera que els rajos o i i estan en estats de polarisació llineal ortogonals. La reflexió total interna del raig "o" es produïx en l'interfaç del bàlsem, ya que l'índex de refracció de la calcita és major que el del bàlsem, i el raig es desvia cap al costat del cristal. El raig i, que veu un índex de refracció menor en la calcita, es transmet a través de la interfase sense desviar-se. Els prismes de Nicol produïxen una llum polarisada de gran purea, i varen ser molt utilisats en microscopía, encara que en l'us modern han segut substituïts en la seua majoria per alternatives com el prisma de Glan-Thompson, el prisma de Glan-Foucault i el prisma de Glan-Taylor. Estos prismes no són verdaders divisores de fes polarizantes, ya que només el fes transmés està totalment polarisat.

Un prisma de Wollaston és un atre polarisador birrefringente que consistix en dos prismes triangulars de calcita en eixos cristalins ortogonals que estan cementados. En l'interfaç intern, un raig no polarisat es dividix en dos rajos polarisats linealmente que ixen del prisma en un àngul de divergència de 15°-45°. Els prismes Rochon i Sénarmont són similars, pero utilisen diferents orientacions dels eixos òptics en els dos prismes. El prisma de Sénarmont està espayat per l'aire, a diferència dels prismes de Wollaston i Rochon. Estos prismes realment dividixen el fes en dos fas totalment polarisats en #polarisació perpendiculars. El prisma Nomarski és una variant del prisma de Wollaston, que s'utilisa àmpliament en la microscopía de contrast d'interferència diferencial.

Polarisadors de película prima

Els Polarisadors llineals de película prima (també coneguts com TFPN) són substrats de vidre sobre els que s'aplica un revestiment òptic especial. Les reflexions de l'àngul de Brewster o els efectes d'interferència en la película fan que actuen com a polarisadors de divisió del fes. El substrat de la película pot ser una placa, que s'inserta en el fes en un àngul determinat, o una falca de vidre que es cementa a una segona falca per a formar una gaveta en la película tallant en diagonal a través del centre (una forma d'açò és el molt comuna gaveta de MacNeille). Els polarisadors de película prima generalment no funcionen tan ben com els polarisadors de tipo Glan, pero són barats i proporcionen dos fas que estan casi igualment ben polarisats. Els polarisadors de tipo cúbic solen funcionar millor que els polarisadors de placa. Els primers es confonen fàcilment en els polarisadors birrefringentes de tipo Glan.

Polarisadors de reixeta

Un dels polarisadors llineals més senzills és el polarisador de reixeta (WGP), que consistix en molts fils metàlics fins i paralels colocats en un pla. Els WGP reflectixen sobretot la polarisació no transmesa i, per tant, poden utilisar-se com divisores de fes polarizantes. L'absorció paràsita és relativament alta en comparació a la majoria dels polarisadors dielèctrics, encara que molt menor que en els polarisadors absorbents.

Les ones electromagnètiques que tenen un component del seu camp elèctric alineat en paralel als fils induiran el moviment d'electrons a lo llarc de la llongitut dels fils. Ya que els electrons són lliures de moure's en esta direcció, el polarisador es comporta de manera similar a la superfície d'un metal quan reflectix la llum, i l'ona es reflectix cap a arrere a lo llarc de l'raer incident (menys una menuda cantitat d'energia perduda pel calfament Joule del cable).

En el cas de les ones en camps elèctrics perpendiculars als fils, els electrons no poden moure's molt llunt a lo ample de cada fil. Per lo tant, es reflectix poca energia i l'ona incident és capaç de travessar la reixeta. En este cas la reixeta es comporta com un material dielèctric.

En general, açò fa que l'ona transmesa siga de polarisació llineal en un camp elèctric completament perpendicular als fils. L'hipòtesis de que les ones "esvaren" pels buits entre els fils és incorrecta.

A efectes pràctics, la separació entre fils deu ser menor que la llongitut d'ona de la radiació incident. Ademés, l'esgambi de cada fil deu ser menuda en comparació a la separació entre fils. Per lo tant, és relativament fàcil construir polarisadors de reixeta d'aram per a la radiació de microones, d'infrarrojo lluntà i d'infrarrojo mig. En el cas de l'òptica del infrarrojo lluntà, el polarisador pot fer-se inclús com una malla lliure, completament sense òptica transmisiva. Ademés, les tècniques alvançades de litografia també poden construir malles metàliques de pas molt estret (típicament 50-100 nm), lo que permet la polarisació de la llum visible o infrarroja en un grau útil. Ya que el grau de polarisació depén poc de la llongitut d'ona i de l'àngul d'incidència, s'utilisen per a aplicacions de banda ampla com la proyecció.

Les solucions analítiques que utilisen l'anàlisis rigorós d'ones acoplades per als polarisadors de reixeta han demostrat que per a les components del camp elèctric perpendiculars als cables, el mig es comporta com un dielèctric, i per a les components del camp elèctric paraleles als cables, el mig es comporta com un metal (reflectante).

Aplicacions

En la fotografia

Un filtre fotogràfic polarisador és un filtre, compost per un cristal polarisador, que rotándolo s'ajusta l'efecte desijat.

Per la seua forma, en fotografia existixen dos tipos de filtres polarisadors: llineals i circulares. Els llineals varen quedar obsolets degut a que en estos el enfocament automàtic (autofocus) de les cambres no funciona. Per això varen sorgir els polarisadors circulares que sí permeten l'enfocament automàtic de les cambres modernes. Els llineals a penes s'usen ya que en realisar l'acció de autofocus el filtre gira solidàriament en l'objectiu. Els circulares són el mateix filtre, pero montat en un ensellament circular (d'ahí el seu nom) que permet reorientar quan siga necessari.

No cal confondre els filtres circulares polarisadors en els polarisadors circulares, estos últims permeten obtindre llum circular o elípticamente circular. Tals polarisadors se solen fabricar de cristals com el cuarzo, pero són poc populars en fotografia.

Efectes

• Elimina reflexos indeseados sobre superfícies no metàliques com a aigua o cristal, permetent la visualisació de lo que es troba darrere d'elles. També és efectiu en superfícies com a plàstic i fusta. L'efecte de la polarisació depén de l'àngul que mantinga l'objectiu respecte a la font de llum, i pot previsualizarse accionando l'anell abans del dispar.
• Millora el colorit de l'herba i el fullage, degut a que es filtren els reflexos azulados del cel.
• En un filtre polarisat s'elimina una gran cantitat de llum d'un cel sense núvols, intensificant el blau del cel que pren un to més obscur. Els núvols blancs destaquen considerablement en el blau del cel. Este efecte cobra especial intensitat en un àngul de 90° respecte al sol, en atres ànguls l'efecte és menor o inclús nul.
• És impráctico per a fotografiar un arcoíris, els seus colors desapareixen a través del filtre polarisador.

Sense Filtre polarisador	En Filtre polarisador

Atres aplicacions

• Els filtres polarisadors s'ampren en instruments científics com microscopis per a resaltar estructures.
• Es poden realisar colorits vitrales que canvien de color i to depenent de l'àngul de la llum polarisada

• En els polarímetros s'usen dos cristals polarisadors per a medir la activitat òptica en substàncies orgàniques. El sacarímetro és un polarímetro per a medir concentracions de sucre.
• Les pantalles de cristal líquit (LCD) precisen d'un filtre polarisador.
• En les ulleres 3D per a vore películes en 3 dimensions.

Vore també

• Dicroísmo
• Filtre òptic
• Filtre fotogràfic

Enllaços externs

• Commons
• Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Polfilter.

• Filtres Polarisadors: Qué Són i Para Qué Servixen
• Kreuzpolblitzen: Polfilter und Polfilterfolien im praktischen Einsatz mit Blitzgeräten (en alemà)
• Polarisationsfilter – Mythos und Praxis (en alemà)