راهنمای انتخاب قطبشگر

قطبش ویژگی مهمی از نور است. قطبشگرها، المان های اپتیکی کلیدی برای کنترل قطبش، تبدیل از یک حالت قطبش در زمان بازتاب و جذب یا انحراف باقی نور هستند. قطبشگرهای مختلفی با طراحی های متفاوت وجود دارند که هر یک مزایا و معایب خود را دارند. در ادامه به معرفی و بررسی انواع قطبشگرها خواهیم پرداخت.

مشخصات قطبشگرها

قطبشگرها توسط تعدادی پارامتر کلیدی تعریف می شوند که عبارتند از:

ضریب خاموشی:

نسبت عبور با قطبش دلخواه به عبور با قطبش ناخواسته. این نسبت که ضریب کنتراست هم نامیده می شود، معمولا به قطبش ناخواسته نرمال (تقسیم) می شود. هرچه این نسبت بزرگتر باشد، قطبش عبوری خالص تر است. این نسبت می تواند از 100:1 در قطبشگرهای تجاری تا 1000000:1 در قطبشگرهای با کیفیت بالای دو شکستی متغیر باشد. ضریب خاموشی مشخصه ای وابسته به طول موج است و باید این ضریب را در طول موج مورد نظر خود در نظر بگیرید. از بین بردن حساسیت به نور به ضریب خاموشی بالا نیازی ندارد، اما از طرف دیگر آنالیز کردن غلظت های پایین اجزای دارویی به ضریب خاموشی بسیار بالا نیاز دارد.

equ-1-psg

(1)

عبور:

این مقدار، به عبور نور قطبیده خطی در جهت محور قطبش، یا به عبور نور غیر قطبیده از میان قطبشگر اشاره دارد. عبور موازی، عبور نور غیر قطبیده از میان دو قطبشگر با محورهای قطبش موازی هم است در حالی که عبور متقاطع، عبور نور غیر قطبیده از میان دو قطبشگر با محورهای قطبش متقاطع است. برای قطبشگرهای ایده آل، عبور نور با قطبیده خطی موازی با محور قطبش 100 درصد، عبور موازی 50 درصد و عبور متقاطع 0 درصد است. این امر می تواند توسط قاتون مالوس تحقیق شود.

زاویه پذیرش:

زاویه پذیرش، بزرگترین انحراف از زاویه فرود طراحی شده است که در آن قطبشگر هنوز با مشخصات معرفی شده برای آن کار می کند. بیشتر قطبشگرها برای کار در زاویه پذیرش بین 0 تا 45 درجه و یا زاویه بروستر طراحی شده اند. زاویه پذیرش برای همراستا کردن المان های اپتیکی مهم است اما اهمیت عمده آن در زمانی است که با پرتوهای غیر موازی کار می کنیم. قطبشگرهای توری فلزی و قطبشگرهای دورنگ نما، بیشترین زاویه پذیرش (تا زاویه پذیرش کامل 90 درجه ای) را دارا می باشند.

ساخت:

قطبشگرها در شکل ها و طراحی های مختلفی ساخته می شوند. قطبشگرهای لایه نازک شبیه فیلترهای اپتیکی هستند. صفحات باریکه شکن قطبشگر، صفحاتی باریک و تخت هستند که با زاویه ای خاص نسبت به پرتو قرار می گیرند. باریکه شکن های قطبشگر مکعبی شامل دو منشور راست گوشه هستند که از وتر به یکدیگر متصل شده اند. قطبشگرهای دوشکستی شامل دو منشور کریستالی متصل شده به هم هستند که زاویه منشورها توسط طراحی خاص قطبشگر تعیین می شود.

دریچه دید:

دریچه دید معمولا برای قطبشگرهای دوشکستی به دلیل عدم دسترسی به کریستال های خالص اپتیکی و محدود شدن اندازه این قطبشگرها، محدودیت ایجاد می کند. قطبشگرهای دورنگ نما معمولا بزرگترین دریچه دید ممکن را دارند. 

طول مسیر اپتیکی:

مسیری که نور باید در داخل قطبشگر طی کند. این عامل برای پاشندگی و آستانه تخریب از اهمیت برخوردار است و می تواند در قطبشگرهای دو شکستی مقدار قابل ملاحظه ای داشته باشد در حالی که در قطبشگرهای دورنگ نما کمترین مقدار را دارد.

آستانه تخریب:

قطبشگرهای دو شکستی معمولا دارای بالاترین آستانه تخریب هستند. حساس ترین المان به تخریب لیزری، چسب میان دو منشور در این نوع قطبشگرها است و به همین دلیل است که قطبشگرهای دو شکستی با گاف هوا دارای آستانه تخریب بالاتری هستند.

هزینه:

برخی قطبشگرها به کریستال هایی بسیار خالص و بزرگ نیاز دارند که گران قیمت هستند در حالی که برخی دیگر از قطبشگرها از پلاستیک کشیده شده ساخته می شوند که بسیار اقتصادی تر است.

انواع قطبشگرها 

قطبشگرهای بازتابی:

قطبشگرهای بازتابی، قطبش دلخواه را عبور می دهند و مابقی را بازتاب می کنند. آن ها از توری فلزی، زاویه بروستر و یا اثرات تداخلی برای این کار استفاده می کنند. زاویه بروستر زاویه ای است که در آن بر اساس معادله فرنل، تنها نور با قطبش s بازتاب می گردد. 

fig-1a-psg

fig-1b-psg

قطبشگرهای بازتابی، به صورت باریکه شکن های مکعبی و صفحات باریکه شکن یا لایه های نازک، حالت قطبش غیردلخواه را بازتاب می کنند

نوع کاربرد محدوده طول موجی (nm) آستانه تخریب لیزری هزینه
پنجره های بروستر کاواک های لیزری 200-2200 بالا $
صفحات باریکه شکن قطبشگر در صورت وجود محدودیت فضا/وزن
کاربردهای کم هزینه و با ضریب خاموشی پایین
لیزرهای فمتوثانیه
250-1550 نسبتا بالا $
قطبشگرهای مکعبی باریکه شکن ترکیب پرتوها 400-1100 نسبتا بالا $$
قطبشگرهای توری فلزی کاربردهای پهن باند
فروسرخ
نور موازی نشده
300-15000 نسبتا بالا $$-$$$
قطبشگرهای مکعبی توری فلزی باریکه شکن کاربردهای پهن باند
نور موازی نشده
400-700 نسبتا بالا $$

پنجره های بروستر:

پنجره های بروستر پنجره هایی بدون لایه نشانی هستند که در زاویه ای موسوم به بروستر قرار می گیرند. یک پنجره بروستر منفرد، ضریب خاموشی نسبتا پایینی دارد. در حالی که این ضریب خاموشی برای بسیاری از کاواک های لیزری تعداد بالای رفت و آمدهای نور در این کاواک کافی است، این ضریب برای کاربردهای دیگر می تواند با قرار دادن متوالی پنجره های بروستر افزایش یابد. به دلیل وابستگی به معادلات فرنل، زاویه پذیرش برای پنجره های بروستر بسیار کوچک است که استفاده از آن ها را تنها برای پرتوهای بسیار موازی شده میسر می سازد.

مشخصات  
پهنای باند (nm) >1000
ضریب خاموشی 10-100
عبور >85%
زاویه پذیرش (درجه) <2
دریچه دید 9-23
طول مسیر اپتیکی (mm) 2
کیفیت جبهه موج عبوری λ/10

صفحات باریکه شکن قطبشگر:

صفحات باریکه شکن قطبشگر، پنجره هایی با لایه نشانی هستند که در زاویه ای نصب می شوند که نور با قطبش p را عبور می دهند و نور با قطبش s را باز تاب می کنند.لایه نشانی بر روی صفحه معمولا بر اساس اصول تداخلی یا یا زاویه بروستر داخلی انجام می گیرد. بر خلاف بسیاری از قطبشگر های دو شکستی، هر دو پرتو عبوری و بازتابی قابل استفاده هستند. این باریکه شکن ها در مکان هایی که محدودین وزن و فضا وجود دارد و در جاهایی که آستانه تخریب لیزری و طول مسیر اپتیکی پایین مهم است، کاربرد دارند. یکی از معایب این قطبشگرها ظاهر شدن بازتاب های شبح وار از سطح دوم و انحراف پرتو است. 

مشخصات  
پهنای باند (nm) 10 تا 400
ضریب خاموشی 100-10000
عبور >85%
زاویه پذیرش (درجه) 2-4
دریچه دید 11-45
طول مسیر اپتیکی (mm) 1
کیفیت جبهه موج عبوری λ/8- λ/2

قطبشگرهای مکعبی باریکه شکن:

قطبشگرهای مکعبی باریکه شکن شبیه به صفحات باریکه شکن قطبشگر هستند ولی لایه نشانی بین دو منشور قرار گرفته است. نگهداری و همخط کردن قطبشگرهای مکعبی ساده تر از صفحات باریکه شکن قطبشگر است و انحراف پرتو کمتری در آن ها رخ می دهد، ولی آن ها طول مسیر اپتیکی بیشتری دارند و وزن و فضای بیشتری را اشغال می کنند. این قطبشگرها برای منابع نوری با نور موازی شده ایده آل هستند و از قطبشگرهای توری فلزی کارکرد موثرتری دارند. 

مشخصات  
پهنای باند (nm) 10 تا 400
ضریب خاموشی 100-1000
عبور >95%
زاویه پذیرش (درجه) 4-10
دریچه دید 4-45
طول مسیر اپتیکی (mm) 5-50
کیفیت جبهه موج عبوری λ/4

قطبشگرهای شبکه سیمی:

قطبشگرهای شبکه سیمی از سیم های بسیار باریک زیادی ساخته شده اند که به طور موازی با هم قرار گرفته اند. نوری که در راستای این سیم ها قطبیده شده است، بازتاب می شود در حالی که نور قطبیده شده در جهت عمود بر آن ها، عبور می کند. به دلیل عدم وابستگی سیم های موازی به طول موج، این نوع از قطبشگرها می توانند محدوده ای وسیع از طول موج ها را پوشش دهند. این طراحی دارای پایداری محیطی بالا و زاویه پذیرش بزرگ است. در حالی که بیشتر قطبشگرهای شبکه سیمی از زیرلایه ی شیشه ای استفاده می کنند، قطبشگرهای شبکه سیمی لایه نازک راه حل اقتصادی تری را ارائه می کنند.

مشخصات  
پهنای باند (nm) 300 تا >5000
ضریب خاموشی 100-10000
عبور >50% تا >%75
زاویه پذیرش (درجه) 40
دریچه دید 13-44
طول مسیر اپتیکی (mm) 1-2
کیفیت جبهه موج عبوری λ/2-λ/4

قطبشگرهای مکعبی توری فلزی باریکه شکن:

قطبشگرهای مکعبی توری فلزی باریکه شکن، قطبشگرهایی مکعبی هستند که از یک قطبشگر شبکه سیمی در بین وترهای دو منشور استفاده می کنند. این قطبشگرها از مزیت همخط شدن آسان قطبشگرهای مکعبی باریکه شکن به همراه زاویه پذیرس بزرگ و پایداری محیطی قطبشگرهای شبکه سیمی به صورت توامان بهره می برند. 

مشخصات  
پهنای باند (nm) 300
ضریب خاموشی 1000-10000
عبور >%75
زاویه پذیرش (درجه) 50
دریچه دید 23
طول مسیر اپتیکی (mm) 25
کیفیت جبهه موج عبوری λ/2-λ/4

 

قطبشگرهای دو رنگ نما:

قطبشگرهای دو رنگ نما قطبش دلخواه را عبور می دهند و مابقی را جذب می کنند. این پدیده ناشی از ناهمسانگردی موجود در قطبشگر است که مثال های متداول آن مولکول های پلیمر جهت گیری کرده و نانوذرات کشیده شده هستند. این دسته ی وسیعی از قطبشگرها ، از قطبشگرهای لمینت پلاستیکی ارزان قیمت تا قطبشگرهای بسیار گران قیمت نانو ذرات شیشه، را شامل می شود. اغلب آستانه تخریب و پایداری محیطی آن ها محدود است، اگرچه قطبشگرهای دو رنگ نمای شیشه ای در این زمینه بهتر از قطبشگرهای دو رنگ نمای پلاستیکی هستند. قطبشگرهای دو رنگ نما برای کاربردهای میکروسکوپی، تصویربرداری و کاربردهای نمایشگری بسیار مناسب هستند و در زمانی که دریچه بسیار بزرگی مورد نیاز است، تقریبا تنها گزینه می باشند. 

قطبشگرهای دو رنگ نما:
قطبشگرهای دو رنگ نما حالت قطبش غیر دلخواه را جذب می کنند.

 

نوع کاربرد محدوده طول موجی (nm) آستانه تخریب لیزری هزینه
دورنگ نما میکروسکوپی، نمایشگرها، تصویربرداری، تنظیم شدت 300-2700 پایین $-$$$

مشخصات  
پهنای باند (nm) 100 تا >1000
ضریب خاموشی 100-1000000
عبور >%50 تا >%90
زاویه پذیرش (درجه) 40-80
دریچه دید 10-900
طول مسیر اپتیکی (mm) 0.2-2
کیفیت جبهه موج عبوری λ/2-λ/5

قطبشگرهای دو شکستی:

قطبشگرهای دو شکستی قطبش دلخواه را عبور می دهند و مابقی را منحرف می کنند. این قطبشگرها از کریستال های دو شکستی ساخته می شوند که در آن ها ضریب شکست نور وابسته به قطبش آن است. نور قطبیده نشده در تابش غیر عمودی به محض ورود به کریستال به دو پرتو تقسیم خواهد شد، به گونه ای که شکست برای نور با قطبش s با شکست برای نور با قطبش p متفاوت خواهد بود. بیشتر طراحی ها شامل دو منشور دو شکستی متصل شده به هم هستند که زاویه اتصال آن ها و جهت گیری محور اپتیکی آن ها نسبت به هم کارایی قطبشگر را تعیین می کند. چون این قطبشگرها به کریستال های خالص اپتیکی نیازمندند، بسیار گران قیمت هستند ولی آستانه تخریب لیزری در آن ها، ضریب خاموشی عالی و محدوده طول موجی وسیع از مزایای آن ها است.

قطبشگرهای کریستالی
قطبشگرهای کریستالی، مانند قطبشگر گلن-تیلور، با استفاده از خواص دو شکستی ماده کریستالی خود،  یک قطبش دلخواه را عبور می دهند و مابقی را منحرف می کنند.

نوع کاربرد محدوده طول موجی (nm
)
آستانه تخریب لیزری هزینه
گلن-تامسون کاربردهای لیزری
تصویربرداری و میکروسکوپی با کیفیت بالا
220-2200 متوسط $$$
گلن-تیلور کاربردهای لیزری
اسپکتروسکوپی
220-2200 بالا $$$
گلن لیزر کاربردهای لیزری
سوییچ Q کردن لیزر
220-2200 بسیار بالا $$$
منشورهای والاستون کاربردهای آزمایشگاهی که به هر دو قطبش نیاز است 190-4000 بالا $$$
منشورهای روشون کاربردهای آزمایشگاهی که به هر دو قطبش نیاز است 130-7000 بالا $$$

قطبشگرهای گلن-تامسون:

قطبشگرهای گلن تامسون دارای بالاترین زاویه پذیرش بین قطبشگرهای نوع گلن هستند. از نوعی سیمان برای اتصال دو منشور سازنده قطبشگر استفاده می شود و به همین دلیل آستانه تخریب لیزری این قطبشگر پایین است

مشخصات  
پهنای باند (nm) >1000
ضریب خاموشی 100000-10000000
عبور >%85
زاویه پذیرش (درجه) 15-30
دریچه دید 8-13
طول مسیر اپتیکی (mm) 28-40
کیفیت جبهه موج عبوری λ/4

قطبشگرهای گلن-تایور:

قطبشگرهای گلن-تایلور به دلیل استفاده از گاف هوا به جای سیمان در بین دو منشور، از آستانه تخریب اپتیکی بالاتری در مقایسه با قطبشگرهای گلن-تامسون برخوردارند. آن ها همچنین دارای طول مسیر اپتیکی کمتر و زاویه پذیرش کوچکتر نسبت به قطبشگرهای گلن-تامسون هستند.

مشخصات  
پهنای باند (nm) >1000
ضریب خاموشی 100000-10000000
عبور >%85
زاویه پذیرش (درجه) 6
دریچه دید 8-20
طول مسیر اپتیکی (mm) 17-29
کیفیت جبهه موج عبوری λ/4

قطبشگرهای گلن-لیزر:

 قطبشگرهای گلن-لیزر نسخه ی ویژه ای از قطبشگرهای گلن-تایلور با آستانه تخریب بالاتر هستند. این قطبشگر معمولا دارای کیفیت کریستال بهتر و پولیش سطح مناسب تر  است و پرتو نور غیر عبوری از قطبشگر می تواند از پنجره ای در کنار آن از محیط خارج شود که باعث کاهش بازتاب های ناخواسته و آسیب گرمایی ناشی از جذب این پرتو می شود. 

مشخصات  
پهنای باند (nm) >1000
ضریب خاموشی 100000-10000000
عبور >%85
زاویه پذیرش (درجه) 6
دریچه دید 8-20
طول مسیر اپتیکی (mm) 20-38
کیفیت جبهه موج عبوری λ/8-λ/4

منشورهای والاستون:

منشورهای والاستون قطبشگرهای دو شکستی هستند که برای عبور و جداسازی دو قطبش طراحی شده اند. بر خلاف قطبشگرهای نوع گلن، هر دو چرتو عبوری کاملا قطبیده و قابل استفاده هستند. پرتو با قطبش عمودی در زاویه ای متقارن و وابسته به طول موج نسبت به پرتو ورودی از قطبشگر خارج می شود. 

مشخصات  
پهنای باند (nm) >1000
ضریب خاموشی 10000-1000000
عبور >%85
زاویه پذیرش (درجه) 20
دریچه دید 10
طول مسیر اپتیکی (mm) 18-28
کیفیت جبهه موج عبوری λ/4

منشورهای روشون:

 در منشورهای روشون همانند منشورهای والاستون، هر دو پرتو عبور می کنند، اما کی از پرتوها بصورت منحرف نشده عبور را انجام می دهد در حالی که دیگری در زاویه ای وابسته به طول موج عبور می کند. 

 

مشخصات  
پهنای باند (nm) >1000
ضریب خاموشی 10000-1000000
عبور >%85
زاویه پذیرش (درجه) 20
دریچه دید 10
طول مسیر اپتیکی (mm) 16-28
کیفیت جبهه موج عبوری λ/4

 

در نهایت، قطبشگرهای دایروی نیز وجود دارند. این قطبشگرها دسته ی مجزایی از قطبشگرها نیستند، بلکه ترکیبی از یک قطبشگر خطی و یک تیغه چارک موجی با همراستایی دقیق هستند. قطبشگر نور را به صورت خطی قطبیده می کند و تیغه چارک موجی این نور با قطبش خطی را به نور با قطبش دایروی تبدیل می کند. در این قطبشگرها به دلیل همراستا بودن دقیق قطبشگر خطی و تیغه چارک موجی، نگرانی بابت ایجاد نور با قطبش کروی وجود ندارد. 

 

منبع: edmundoptics