Поляриметрия

Измерение и интерпретация поляризации поперечных волн

Радиолокационное изображение Долины Смерти с синтезированной апертурой , раскрашенное с помощью поляриметрии.

Поляриметрия — это измерение и интерпретация поляризации поперечных волн , особенно электромагнитных волн , таких как радиоволны или световые волны . Обычно поляриметрия проводится на электромагнитных волнах, которые прошли через какой-либо материал или были отражены , преломлены или дифрагированы , чтобы охарактеризовать этот объект. ^{[1] [2]}

Плоскополяризованный свет. Согласно волновой теории света , обычный луч света считается колеблющимся во всех плоскостях под прямым углом к ​​направлению своего распространения . Если этот обычный луч света пройти через призму Николя , то выходящий луч будет иметь вибрацию только в одной плоскости.

Приложения

Поляриметрия тонких пленок и поверхностей широко известна как эллипсометрия .

Поляриметрия используется в приложениях дистанционного зондирования , таких как планетология , астрономия и метеорологический радар .

Поляриметрия также может быть включена в вычислительный анализ волн. Например, радары часто учитывают поляризацию волн при постобработке, чтобы улучшить характеристики целей. В этом случае поляриметрия может использоваться для оценки тонкой текстуры материала, помощи в определении ориентации небольших структур в мишени, а при использовании антенн с круговой поляризацией - для определения количества отражений принятого сигнала ( киральности волн циркулярной поляризации чередуется с каждым отражением).

Визуализация

В 2003 году было сообщено о спектрополяриметрическом имидж-сканере видимого-ближнего ИК-диапазона (VNIR) с акустооптическим перестраиваемым фильтром (AOTF). ^[3] Эти гиперспектральные и спектрополяриметрические формирователи изображений функционировали в диапазонах излучения от ультрафиолетового (УФ) до длинноволнового инфракрасного (LWIR). В AOTF пьезоэлектрический преобразователь преобразует радиочастотный (РЧ) сигнал в ультразвуковую волну. Затем эта волна проходит через кристалл, прикрепленный к преобразователю, и, попадая в акустический поглотитель, дифрагирует. Длину волны получаемых световых лучей можно изменить, изменив исходный радиочастотный сигнал. ^[3] Гиперспектральные изображения VNIR и LWIR стабильно работают лучше в качестве гиперспектральных изображений. ^[4] Эта технология была разработана в Исследовательской лаборатории армии США. ^[3]

Исследователи сообщили о данных системы видимого ближнего инфракрасного диапазона (VISNIR) (0,4–0,9 микрометра), для которой требовался радиочастотный сигнал мощностью менее 1 Вт. Сообщенные экспериментальные данные показывают, что поляриметрические сигнатуры уникальны для искусственных предметов и не встречаются в природных объектах. Исследователи утверждают, что двойная система, собирающая как гиперспектральную, так и спектрополяриметрическую информацию, является преимуществом при создании изображений для отслеживания целей. ^[3]

Поляриметрическая инфракрасная визуализация и обнаружение также могут выделять и различать различные особенности сцены и давать уникальные характеристики различных объектов. Наноплазмонная чирпированная металлическая структура для поляриметрического обнаружения в двух средневолновых и длинноволновых инфракрасных диапазонах может дать уникальные характеристики различных обнаруженных материалов, объектов и поверхностей. ^[5]

геммология

Геммологи используют полярископы для определения различных свойств исследуемых драгоценных камней. Для правильного осмотра может потребоваться осмотр драгоценного камня в различных положениях и под разными углами. ^[6] Полярископ геммолога представляет собой вертикально ориентированное устройство, обычно с двумя поляризационными линзами , расположенными одна над другой с некоторым пространством между ними. Источник света встроен в полярископ под нижней поляризационной линзой и направлен вверх. Драгоценный камень будет помещен поверх нижней линзы, и его можно будет правильно рассмотреть, посмотрев на него через верхнюю линзу. Чтобы управлять полярископом, геммолог может вручную поворачивать поляризационные линзы, чтобы наблюдать различные характеристики драгоценного камня. Полярископы используют свои поляризационные фильтры, чтобы выявить свойства драгоценного камня и то, как он влияет на световые волны, проходящие через него.

Полярископ может быть сначала использован для определения оптического характера драгоценного камня и того, является ли он однократно преломляющим (изотропным), аномально двупреломляющим (изотропным), дважды преломляющим (анизотропным) или агрегатным. Если камень имеет двойное преломление и не представляет собой агрегат, полярископ можно использовать для дальнейшего определения оптической фигуры драгоценного камня, а также того, является ли он одноосным или двуосным. На этом этапе может потребоваться использование лупы , также известной как коноскоп. ^{[7] Наконец, для обнаружения} плеохроизма драгоценного камня можно использовать полярископ , хотя для этой цели может быть предпочтительнее дихроскоп , поскольку он может показывать рядом плеохроичные цвета для облегчения идентификации.

Оборудование

Поляриметр является основным научным инструментом , используемым для проведения этих измерений, хотя этот термин редко используется для описания процесса поляриметрии, выполняемого компьютером, например, в поляриметрическом радаре с синтезированной апертурой .

Поляриметрия может использоваться для измерения различных оптических свойств материала, включая линейное двойное лучепреломление , круговое двойное лучепреломление (также известное как оптическое вращение или оптическая вращающаяся дисперсия), линейный дихроизм , круговой дихроизм и рассеяние . ^[8] Для измерения этих различных свойств было разработано множество конструкций поляриметров, некоторые из них устаревшие, а некоторые используются в настоящее время. Наиболее чувствительные основаны на интерферометрах , тогда как более традиционные поляриметры основаны на поляризационных фильтрах , волновых пластинах или других устройствах.

Астрономическая поляриметрия

Поляриметрия используется во многих областях астрономии для изучения физических характеристик источников, включая активные ядра галактик и блазары , экзопланеты , газ и пыль в межзвездной среде , сверхновые , гамма-всплески , вращение звезд , ^[9] звездные магнитные поля, диски обломков. , отражение в двойных звездах ^[10] и космическое микроволновое фоновое излучение. Астрономические поляриметрические наблюдения проводятся либо в виде поляриметрии изображений, где поляризация измеряется как функция положения в данных изображения, либо в виде спектрополяриметрии, где поляризация измеряется в зависимости от длины волны света, либо поляриметрии с широкополосной апертурой.

Измерение оптического вращения

Оптически активные образцы, такие как растворы хиральных молекул, часто демонстрируют круговое двойное лучепреломление . Круговое двойное лучепреломление вызывает вращение поляризации плоскополяризованного света при его прохождении через образец.

В обычном свете колебания возникают во всех плоскостях, перпендикулярных направлению распространения. Когда свет проходит через призму Николя, его вибрации во всех направлениях, кроме направления оси призмы, отсекаются. Свет, выходящий из призмы, называется плоскополяризованным, поскольку его вибрация направлена ​​в одном направлении. Если две призмы Николя расположить плоскостями поляризации параллельно друг другу, то лучи света, выходящие из первой призмы, попадут во вторую призму. В результате потери света не наблюдается. Однако если вторую призму повернуть на угол 90°, свет, выходящий из первой призмы, останавливается второй призмой, и свет не появляется. Первую призму обычно называют поляризатором , а вторую призму — анализатором .

Простой поляриметр для измерения этого вращения состоит из длинной трубки с плоскими стеклянными концами, в которую помещается образец. На каждом конце трубки находится призма Николя или другой поляризатор. Свет пропускается через трубку, а призма на другом конце, прикрепленная к окуляру, вращается, чтобы попасть в область полной яркости, полутьмы, полуяркости или полной темноты. Угол поворота затем считывается по шкале. То же явление наблюдается после угла 180°. Затем можно рассчитать удельное вращение образца. Температура может влиять на вращение света, что следует учитывать в расчетах.

${\displaystyle [\alpha ]_{\lambda }^{T}=100\alpha /l\rho \,\!}$

где:

• [α] _λ ^T – удельное вращение.
• Т – температура.
• λ — длина волны света.
• α – угол поворота.
• l — расстояние, которое свет проходит через образец, длина пути.
• ${\displaystyle \rho }$– массовая концентрация раствора.

Смотрите также

• Эллипсометрия

Рекомендации

1. Мищенко, М.И.; Яцкив Ю.С.; Розенбуш, В.К.; Виден, Г., ред. (2011). Поляриметрическое обнаружение, определение характеристик и дистанционное зондирование, Труды Института перспективных исследований НАТО по специальной технике обнаружения (поляриметрии) и дистанционному зондированию. Ялта, Украина, 20 сентября – 1 октября 2010 г., Серия: Наука НАТО ради мира и безопасности. Серия C: Экологическая безопасность. Наука НАТО ради мира и безопасности. Серия C: Экологическая безопасность (1-е изд.). Спрингер. ISBN 9789400716353.
2. Тинберген, Яап (2007). Астрономическая поляриметрия . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-01858-6.
3. Голдберг, А.; Стэнн, Б.; Гупта, Н. (июль 2003 г.). «Исследование мультиспектральных, гиперспектральных и трехмерных изображений в Исследовательской лаборатории армии США» (PDF) . Материалы Международной конференции по международному синтезу [6-е] . 1 : 499–506. Архивировано (PDF) из оригинала 3 мая 2017 года.
4. Макки, Ихаб; Юнес, Рафик; Фрэнсис, Кловис; Бьянки, Тициано; Зуккетти, Массимо (1 февраля 2017 г.). «Обзор обнаружения мин с использованием гиперспектральной визуализации» (PDF) . Журнал фотограмметрии и дистанционного зондирования ISPRS . 124 : 40–53. Бибкод : 2017JPRS..124...40M. дои : 10.1016/j.isprsjprs.2016.12.009. ISSN  0924-2716.
5. Авад, Эхаб; и другие. (январь 2017 г.). «Наноплазмонный чирпированный поляриметр с металлическими полосками для двухдиапазонного инфракрасного обнаружения». Электронные письма . 53 (2): 95. Бибкод : 2017ElL....53...95A. дои : 10.1049/эл.2016.3778.
6. "Полярископ". Драгоценный шум . Проверено 4 января 2022 г.
7. «Полярископ - Геммологический проект» . www.gemologyproject.com . Проверено 4 января 2022 г.
8. В. Тучин (2000). Оптика тканей. Методы светорассеяния и приборы для медицинской диагностики . Общество фотооптики. ISBN 978-0-8194-3459-3.
9. Коттон, Дэниел В.; Бейли, Джереми; Ховарт, Ян Д; Ботт, Кимберли; Кедзиора-Чудчер, Луцина; Лукас, П.В.; Хаф, Дж. Х. (2017). «Поляризация из-за вращательного искажения яркой звезды Регул». Природная астрономия . 1 (10): 690–696. arXiv : 1804.06576 . Бибкод : 2017NatAs...1..690C. дои : 10.1038/s41550-017-0238-6. S2CID  53560815.
10. Бэйли, Джереми; Коттон, Дэниел В.; Кедзиора-Чудчер, Луцина; Де Орта, Айн; Мэйбур, Даррен (1 апреля 2019 г.). «Поляризованный отраженный свет двойной системы Спика». Природная астрономия . 3 (7): 636–641. arXiv : 1904.01195 . Бибкод : 2019NatAs...3..636B. дои : 10.1038/s41550-019-0738-7. S2CID  131977662.

Внешние ссылки

• Полярископ – прибор Gemstone Buzz для измерения оптических свойств.
• Проект ЕС NanoCharM nanocharm.org