Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék. Polarimetria. Lineáris polarizáció vizsgálata

Átírás

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék Polarimetria Lineáris polarizáció vizsgálata MO1 2017

2 Elméleti háttér Lineáris polarizáció, lineáris polárszűrő: A fény transzverzális hullám: rezgési iránya terjedési irányára merőleges. Természetes, polarizálatlan fény terjedési irányára merőlegesen bármely irányban azonos valószínűséggel rezeg. Lineáris polárszűrő segítségével ezen végtelen rezgésirány közül kiválasztunk egyet, a szűrőn így csak egyetlen meghatározott síkban rezgő hullámok tudnak áthaladni. (A lineáris polárszűrőt szemléletesen egyenközű rácsként képzelhetjük el, ld. 1.ábra). A szűrőn átjutó fényt lineárisan polarizáltnak hívjuk. A szűrőn áthaladó hullámok rezgési irányát a szűrő átengedési irányának, 1.ábra - Lineáris polarizáció az erre merőleges irányt pedig a szűrő polarizációs irányának hívjuk. A polarizációs síkban rezgő hullámok a szűrőben teljesen elnyelődnek, ha csak ilyen rezgési irányú fényt bocsátunk át lineáris szűrőn, akkor a szűrő utáni fényintenzitás zérus. LCD /Liquid Crystal Display/: Folyadékkristályos megjelenítő, a képernyő képpont mátrixból áll. A képpont /pixel/ a legkisebb képernyőn megjeleníthető információ. Egy-egy képpont 3, piros(r), zöld(g) és kék(b) alap színingert, más néven primert színszűrőkkel előállító szegmensből /szubpixelből/ áll (2.ábra). Egy képponton belül a három szubpixel fizikai kiterjedése olyan kicsi, hogy megfelelő távolságból nézve a képernyőt, bőven szemünk szögfeloldási határa alatt vannak. Mivel a megfigyelő nem tudja megkülönböztetni egymástól a szubpixeleket, az egyes képpontok primerjei összekeverednek, additív színkeverés jön létre. Így adódik egy-egy képpont kevert színe. 2.ábra - Kiragadott LCD pixel A 3.ábrán az additív színkeverés elvét láthatjuk, az egyes halmazrészek színét adó pixelmátrix részletekkel: 3.ábra - Additív színkeverés 1

3 4.ábra LCD-t felépítő rétegek Az LCD panel réteges felépítésű. A rétegeket a képernyő egyetlen képpontjára a 4.ábra mutatja: - Háttérvilágítás réteg: fényforrás (LED/light emitting diode/, vagy CCFL /cold cathode fluorescent lamp/) + diffúzor fólia, melynek feladata a fény egyenletes elosztása a képernyő teljes felületén - Belépő lineáris polárszűrő - Elektródákból és TFT /thin-film transistor/-ból álló üveglapra felvitt mátrix, minden egyes szubpixelre kapcsolt feszültséget külön-külön tranzisztor vezérel - Folyadékkristályok - Üveglapra felvitt elektróda mátrix, erre és a másik elektróda rétegen a tranzisztorok gate-jeire szubpixelenként külön-külön feszültség kapcsolható, nyitott tranzisztor esetén a hozzá tartozó szubpixel helyén a folyadékkristályokon feszültség esik Erre a rétegre kerülnek felvitelre a színszűrők is, minden egyes képpont külön piros, zöld és kék szűrővel rendelkezik - Kilépő lineáris polárszűrő, az előzőhoz képest 90 -kal elforgatott átengedési iránnyal Mikor egy folyadékkristályra nem kapcsolunk feszültséget, az szerkezetéből adódóan spirál alakot vesz fel. Ekkor a rajta átmenő lineárisan poláros fény polarizációs irányát 90 -kal elforgatja, éppen a kilépési polárszűrő polarizációs síkjába. Ilyenkor tehát az LCD-panel adott szubpixelén a háttérvilágítás lehető legnagyobb fényárama áthalad, a szubpixel maximális fényerejű piros, zöld, vagy kék attól függően milyen színszűrőn ment át a fény. Ha egy folyadékkristályra maximális feszültséget kapcsolunk, átrendeződik a kristályszerkezete, nem befolyásolja a fény polarizáltságát. Mivel a be- és kilépő polárszűrők átengedési iránya 90 -ot zár be egymással, ilyenkor nem jut át a rendszeren szinte semmi fény (a gyakorlatból tudjuk, hogy valamennyi igen, ezért nem lehet igazán szép feketéket megjeleníteni LCD kijelzőkkel). Köztes feszültség kapcsolása esetén a folyadékkristályok a polarizációs irányt 0 és 90 közötti szöggel forgatják el, ilyenkor a panelen köztes fényintenzitás jut át. A mérés folyamán egy Acer Aspire 4315-ös laptopból (5.ábra) kiszerelt LCD lineáris polárszűrőjét fogjuk a polariméter segítségével vizsgálni. 2 5.ábra - Acer Aspire 4315

4 A polariméter A mérés során manuális körpolarimétert használunk. 6.ábra - A polariméter fő egységei 1. Bekapcsoló gomb 7. Polarizátor 2. Analizátor forgató gomb 8. Tejüveg-lap 3. Skálaleolvasó lencse 9. Lámpafedél 4. Betekintő nyílás 10. Lámpa foglalat 5. Nóniusszal ellátott dupla mérőskála 11. Polariméter ház 6. Mintatartó henger Optikai aktivitás (optikai forgatóképesség): A polarimétert vegyiparban, élelmiszeriparban használják, szerves anyagok koncentrációjának meghatározására. Ezek az oldatok ugyanis rajtuk lineárisan polarizált fényt átbocsátva elforgatják a polarizáció irányát. Ezt nevezzük optikai aktivitásnak. Az elforgatás szöge függ az oldat koncentrációjától, a polarizált fény oldatban megtett útjának hosszától, az oldott anyag specifikus forgatóképességétől, a környezeti hőmérséklettől, valamint az alkalmazott fény hullámhosszától. A polarizálatlan fény fix pozíciójú lineáris polárszűrőn (polarizátoron, ld. 7. ábra) halad keresztül, ezt a polarizációs irányt módosítja az optikailag aktív anyag (oldat), mely módosításnak a szögét az analizátor elforgatásával, majd az elforgatás szögének leolvasásával határozhatjuk meg. A módszert az alábbi, (7. ábra) szemlélteti, általános θ szögű forgatóképességű mintára: 7.ábra - Optikai aktivitás mérési elrendezése 3

5 A polariméter felépítése: 8.ábra A polariméter felépítése Fényforrás: 589,3 nm hullámhosszú monokromatikus kisnyomású Na-lámpa, polarizálatlan fényt bocsát ki. 9.ábra - Mészpátkristály Kettős törő anyagok: anizotrópok, vagyis bennük a fény terjedési sebessége függ a terjedési iránytól. Kettős törő anyag például a mészpátkristály (9. ábra). Minden fénysugár a kristályon való áthaladáskor két különbözőképpen megtört sugárra bomlik. Az egyik az ordinárius /rendes/ sugár, amely követi a Snellius Descartes-féle törvényben leírt szabályos fénytörést. A másik sugarat extraordinárius /rendellenes/ sugárnak nevezik, és terjedési sebessége irányfüggő. A két különböző irányba megtört sugár mentén terjedő fény egymásra merőleges rezgési síkokban lineárisan poláros. Nicol-prizma (10. ábra): 2 db kettős törő prizmából kanadabalzsammal összeragasztott prizma. Az első prizmába belépő fény kettős törést szenved. A prizmák határfelületén az ordinárius sugár a kanadabalzsamról teljesen visszaverődik, iránya eltérül. A második prizmán így csak az extraordinárius sugár jut át, ami 10.ábra Nicol-prizma lineárisan polarizált. A polariméterben a Nicol-prizma lineáris polárszűrők funkcióját tölti be. A 8. ábrán jelölt polarizátor prizma fix állású, az analizátor prizma forgatható, a forgatáshoz szögskála kapcsolódik. λ/2-es lemez (11. ábra): a lineáris polarizáció irányát adott 2θ szöggel elforgatja, a műszer betekintő nyílásába nézve három részre osztott köralakú látómezőt láthatunk (ld. 8. ábra jobb oldalán). A középső mezőbe érkező fénysugarak áthaladnak a λ/2-es lemezen, míg a két szélső mezőbe érkező fénysugarak nem. Így a középső és szélső mezők polarizációja 2θ szöggel el van tolva. A módszert ún. félárnyék polariméterekben alkalmazzák. Ezek optikai nulla állásban (a mérőskála 0 -os szögállásában) a látómező középső és szélső területei félvilágosak, de azonos mértékben. Emberi szemmel ez a homogén félárnyék nagy pontossággal beállítható. (oldatkoncentráció vizsgálat esetén a mintát a mintatartóba helyezve addig forgatjuk az analizátort, míg azt a homogén félárnyékot el nem érjük, amit minta nélkül a műszer nulla állásában láttunk). 11.ábra - λ/2-es lemez A mérés menete Jelen mérés során a polarimétert nem vegyészeti, hanem gyakorlati optikai célra használjuk. Lineáris polárszűrő átengedési és polarizációs irányát fogjuk megkeresni. 4

6 1. Kapcsoljuk be a polarimétert, majd várjuk 1-2 percet, míg a Na-lámpa bemelegszik és eléri üzemi paramétereit 2. Állítsuk az analizátort a forgatógombbal (1.ábra (2.)) pontosan 0,00 -os szögbe 3. Helyezzük a mintatartóba (1.ábra (6.)) a polarizátor (1.ábra (7.)) közvetlen közelébe a vizsgált papírkeretbe foglalt LCD-ről származó polárszűrőt, forgassuk el úgy az analizátor állásának változatlanul hagyása mellett, hogy a látómező a lehető legsötétebb legyen Ilyenkor a látómező nem látszik megosztottnak, egyenletesen sötét, bár a környezeti fény beszűrődése miatt még nem teljes mértékben 12.ábra Sötét látómező 4. Hajtsuk le a mintatartó fedelét a környezeti fény kizárása érdekében 5. Az analizátor forgatásával keressük meg a szögállást, amikor a látómező a lehető legvilágosabb (ha már sötétedést észlelünk, forgassuk visszafelé, majd újra előre, amíg leginkább világosnak nem látjuk) A látómezőt ebben a legvilágosabb állásban mezőkre osztva látjuk, de a mezők azonos mértékben világosak 13.ábra Világos látómező A beállított szögállást a jobb, és baloldali skáláról is olvassuk le, és mérési eredményként vegyük ezek átlagát. A leolvasást a betekintő nyílás melletti lupékon (1.ábra (3.)) keresztülnézve kényelmesen tehetjük meg. Példa a skála leolvasására: Ebben az esetben a leolvasott érték: 9,30 + 9,35 2 = 9, ábra Kettős skála leolvasása Negatív szögérték leolvasása a következő képpen történik: A leolvasott érték ekkor: 179,90-180,00 =-0,10 15.ábra Negatív szög leolvasása 6. Keressük meg újra a legsötétebb állást, ezt szögállást is fokozatosan közelíthetjük az analizátor egyik, majd másik irányba való forgatásával. Most is átlagoljuk ki a két skáláról leolvasott értékeket. 5

7 Feladatok 1. Keressük meg mind a legvilágosabb, mind a legsötétebb pozíciót szer Számítsuk ki a pozíciók átlagát, valamint szórását. Mindezt rögzítsük a jegyzőkönyvben. 2. Ábrázoljuk a szög-szórásokat a jegyzőkönyvben egy körben körcikkek formájában, nevezzük meg melyik a vizsgált polárszűrő átengedési és melyik a polarizációs iránya! 3. Adjunk magyarázatot a világos és sötét szórások közötti nagy különbségre 4. Mobiltelefonjaink kijelzője lineárisan polarizált fényt bocsát ki. Egy mobiltelefonon jelenítsünk meg homogén fehér, nagy fényerejű ábrát. Kikapcsolt Na-lámpa mellett helyezzük a telefont óvatosan a fényforrás (1.ábra (9.)) és a polarizátor (1.ábra (7.)) közötti térbe. (Előtte távolítsuk el a szűrőmintát a mintatartóból). Az analizátort állítsuk be 90,00 -ra, majd hagyjuk változatlanul. A telefon forgatásával becsüljük meg kijelzőjének polarizációs és átengedési irányának szögét. Jelöljük be ezeket a jegyzőkönyvben található ábrán. Források: LCD felépítés, működés: Körpolariméter részegységei, kezelése: Polariméter felépítése, λ/2-es lemez: Kettős törés, Nicol-prizma: Ábrák: [1.] [2.] [3.] [4.] [5.] [6.] [7.] [9.] [10.] [11.] [14.] [15.] 6