قطبنده

قُطبَنده یک فیلتر نوری است که تنها نور با قطبش مشخص را عبور می‌دهد و امواج با دیگر قطبش‌ها را بلوکه می‌کند. قطبنده قابلیت تبدیل موجی با قطبش ترکیبی را به نوری با قطبش مشخص دارد. قطبنده‌های معمول قطبنده‌های خطی و دایروی هستند.
قطبنده ها در بسیاری از ابزار های نوری استفاده می شوند، و همچنین فیلترهای قطبنده در عکاسی و فن آوری صفحه نمایش کریستال مایع استفاده های کاربردی پیدا کرده اند. قطبنده ها همچنین می توانند برای انواع مختلف امواج الکترومغناطیسی، علاوه بر نور، مانند امواج رادیویی، مایکروویو، و اشعه ایکس ساخته شوند.

قطبنده های خطی

قطبنده های خطی قطبنده های خطی را می توان به دو دسته تقسیم بندی کرد: قطبنده های جاذب ، که در آن حالتهایی با قطبش ناخواسته توسط دستگاه جذب می شوند و نوع دوم قطبنده های مقسم پرتو (beam-splitting) ، که در آن پرتو غیر قطبیده را به دو پرتو با حالتهای قطبش مخالف تقسیم می کند.

قطبنده سیم شبکه (wire grid)

فیلتر قطبنده خطی ساده در اصل یک فیلتر قطبنده سیم شبکه است که متشکل از یک آرایه ی منظم از سیم های فلزی موازی است به طوریکه جهت گیری آنها عمود بر صفحه ی فرودی پرتو باشد. امواج الکترومغناطیسی که دارای یک مؤلفه میدان موازی با سیم ها باشند، الکترون ها را وادار به حرکت در طول سیم می کنند. از آنجائیکه الکترونها آزاد هستند که در این راستا حرکت کنند، رفتار فیلتر قطبنده مشابه با سطح یک فلز است وقتی که فلز نور را منعکس می کند، و موج در امتداد پرتو به عقب انعکاس می یابد (منهای مقدار کمی از انرژی که به صورت حرارت از سیم از دست می رود.)
برای امواج با میدان الکتریکی عمود بر سیم ها، الکترون ها نمی تواند در فواصل بسیار دور در عرض هر یک از سیم ها حرکت کنند، بنابراین مقدار کمی از انرژی منعکس می شود، و موج فرودی قادر است از طریق شبکه منتقل شود. از آنجا که مؤلفه های میدان الکتریکی موازی با سیم منعکس شده اند، موج عبوری یک میدان الکتریکی خالص در جهت عمود بر سیم ها دارد و به این ترتیب است که بصورت خطی قطبی شده است. توجه داشته باشید که جهت قطبش عمود بر سیمها است. این تصور که امواج " از طریق لغزش" از شکاف بین سیم ها عبور می کند نادرست است.

قطبنده های جاذب

کریستالهای خاصی، به علت اثرات شرح داده شده توسط کریستال نوری، از خود دورنگی (dichroism) نشان می دهند، جذب مرجحی از نور که در جهت خاصی قطبیده است. بنابراین آنها می توانند به عنوان قطبنده های خطی مورد استفاده قرار گیرند. بهترین کریستال شناخته شده از این نوع کهربای اصل (tourmaline)است. با این حال، چون اثر دورنگی به شدت به طول موج وابسته است این کریستال به ندرت به عنوان یک فیلتر قطبنده استفاده می شود. Herapathite نیز دورنگی است ولی به شدت رنگی نیست، اما رشد آن در کریستال های بزرگ دشوار است. فیلتر پلاریزه پلاروید در مقیاس اتمی همانند فیلتر قطبنده سیم شبکه است. این نوع فیلتر از لایه های میکروسکوپی کریستال herapathite ساخته شده است. پایداری و قابلیت های عملی پلاروید آن را تبدیل به رایج ترین نوع فیلتر قطبنده در حال استفاده کرده است، برای مثال برای عینک های آفتابی، فیلترهای عکاسی، و صفحه نمایش کریستال مایع از آن استفاده می شود. همچنین بسیار ارزان تر از انواع دیگر قطبنده هاست.

قطبنده های مقسم پرتو (Beam-splitting polarizers)

قطبنده های مقسم پرتو، پرتو فرودی را به دو پرتو مختلف با قطبش خطی تقسیم می کنند. برای شکافنده پرتو ایده آل (beamsplitters) خروجی به طور کامل در قطبشهای متعامد رخ می دهد. هر چند، برای بسیاری از قطبنده های مقسم پرتو، تنها یکی از دو پرتوی خروجی به طور کامل قطبیده است و دیگر پرتوها حاوی ترکیبی از قطبش های مختلف اند. بر خلاف قطبنده های جاذب، قطبنده های مقسم پرتو نیاز به جذب و دفع انرژی از حالتهای قطبش بازتابی ندارند، بنابراین آنها برای استفاده در پرتوهای با شدت بالا مانند نور لیزر مناسب تر اند. قطبنده های شکافنده پرتو (polarizing beamsplitters) که در آن دو مولفه قطبش یا تجزیه می شوند و یا به طور همزمان استفاده می شوند.

قطبش نور. در این تصویر θ₁ − θ₀ = θ_i'

قانون مالوس و خواص دیگر

قانون Malus که پس از آن نام نام گذاری شد اتین-لوئیس مالوس بیان کرد که وقتی یک فیلتر قطبنده کامل در مسیر پرتویی از نور قرار می گیرد، شدت نور ،I، پس از عبور به صورت زیر خواهد بود:

$I=I_{0}\cos ^{2}\theta _{i}\quad ,$

جایی که I₀ شدت اولیه است و θ_i زاویه بین جهت قطبش اولیه ی نور و محور فیلتر قطبنده است.
باریکه ای از نور غیر قطبیده را می توان به عنوان ترکیب مخلوط های یکنواخت قطبش خطی در تمام زوایای ممکن تصور کرد. از آنجا که مقدار متوسط $\cos ^{2}\theta$ نصف می شود، ضریب انتقال به صورت زیر به دست می آید:

:${\frac {I}{I_{0}}}={\frac {1}{2}}\quad .$

در عمل، مقداری از نور در عبور از فیلتر قطبنده هدر می رود و درصد واقعی عبور نور غیر قطبیده تا حدودی پایین تر از این خواهد بود.

گردآورندگان

پژوهشکده لیزر و پلاسما دانشگاه شهید بهشتی

منابع

http://en.wikipedia.org/wiki/Polarizer

B. Saleh, Fundamentals of Photonics, New York: Wiley, 1992.