Polarizörler

Polarizörler belirli bir polarizasyondaki ışığı geçirip diğer polarizasyondaki dalgaları bloke eden optik filtrelerdir. Tanımlı olmayan veya karışık bir polarizasyona sahip bir ışık demetini iyi tanımlanmış polarizasyondaki bir demete dönüştürür. Yaygın polarizör çeşitleri lineer(doğrusal) polarizörler ve dairesel polarizörlerdir. Polarizörler birçok optik teknik ve alette kullanılır, polarize filtreler de fotoğrafçılıkta ve sıvı kristal ekranlarda uygulama sağlar. Polarizörler aynı zamanda ışıktan başka elektromanyetik dalgalar, örneğin radyo dalgaları, mikrodalgalar, X-ışınları için de yapılabilir.

Lineer polarizörler

Lineer polarizörler iki genel kategoriye ayrılabilir: soğurucu polarizörler istenmeyen polarizasyon şekillerini soğururlar, ışın-saçan polarizörler ise polarize olmamış ışını zıt polarizasyon durumuna sahip iki ışına ayırırlar.

Soğurucu polarizörler

En basit lineer polarizör tel-kafes polarizörüdür, gelen ışına dik olarak konumlanmış bir düzleme yerleştirilen düzenli sıralanmış ince paralel metal tellerden oluşur. Tellere paralel elektrik alanı bileşenine sahip olan elektromanyetik dalgalar, tel boyunca elektronların hareketini başlatır. Elektronlar bu yönde serbest hareket edebildikleri için polarizör ışığı yansıtırken metal bir yüzey gibi davranır; dalga gelen ışın yönünde geri yansıtılır(küçük bir miktarda enerji de telin ısınmasında kaybedilir).
Tellere dik elektrik alana sahip dalgalar için, elektronlar tel genişliğinden daha ileri hareket edemez, bu nedenle çok az bir enerji geri yansır ve gelen dalga kafesten geçer. Yalnızca tellere paralel olan elektrik alan bileşenleri yansılıtdığı için iletilen dalga sadece tellere dik olan elektrik alan bileşenlerine sahip olur, dolayısıyla lineer olarak polarize olmuştur. Polarizasyonun yönünün tellere dik olduğuna dikkat etmek gerekir, dalganın teller arasından geçip gitmesi düşüncesi yanlıştır.
Pratikte, teller arası uzaklık ışıma dalga boyundan daha az olmalıdır ve tel genişliği bu uzaklığa göre çok küçük olmalıdır. Bu da tel-kafes polarizörlerinin genellikle sadece mikrodalgalar ile uzak ve orta kızılötesi ışınlar için kullanıldığı anlamına gelir. İleri taşbaskı teknikleri kullanılarak görünür ışığı polarize eden çok dar aralıklı metal kafesler üretilebilir. Polarizasyon derecesi dalgaboyuna ve gelen ışının açısına çok az bağlı olduğundan, projeksiyon gibi genişbant uygulamalarında kullanılabilirler.
Problemin simetrisi tellerde hareket eden elektronların tüm yönlerde ışıma yapması gerektiğini öne sürdüğünde neden yansıyan ışının olup da iletilen ışının olmadığını düşünmek ilginçtir. Basit bir ifadeyle iletilen ışın vardır, fakat gelen ışınla tam olarak 180 derece zıt fazda olduğundan birbirlerini yok ederler.
Belli kristaller, kristal optiğinde tanımlanan bazı etkilere bağlı olarak, belli yönlerde polarize olmuş ışığın öncelikli soğrulması olan dichroism(iki renklilik) gösterirler. Bu yüzden lineer polarizör olarak kullanılabilirler. Bu tip kristallerin en bilineni tourmaline dir. Fakat bu kristal , dikroik etki güçlü bir şekilde dalgaboyuna bağlı olduğundan ve kristal renkli göründüğünden polarizör olarak çok nadir kullanılır. Herapatit de aynı zamanda dikroiktir ve baskın renkte değildir, fakat geniş kristallerde çoğaltılması zordur.
Polaroid polarizör filtre orijinal formunda birçok mikroskobik herapatit kristallerinin diziliminden oluşuyordu. Daha sonra yapılan H-levha formu daha ziyade tel-kafes polarizörüne benzer.  Polivinil alkol(PVA) plastiğinin iyotla karıştırılmasıyla elde edilir. Plakanın yapım esnasında gerilmesi PVA zincirlerinin belirli bir doğrultuda hizalanmasını sağlar. İyot karışımındaki elektronlar zincirler boyunca hareket edebilirler, bu da zincirlere paralel polarize olmuş ışığın soğurulmasını, zincirlere dik polarize olmuş ışığın ise geçişini sağlar. Polaroidin dayanıklılığı ve pratik oluşu en çok kullanılan polarizör yapar, örneğin güzen gözlükleri, fotoğraf filtreleri ve sıvı kristal ekranlar gibi. Aynı zamanda diğer polarizör çeşitlerinden de daha ucuzdur.
Soğurucu polarizörün modern bir tipi ince(≤0.5 mm) cam tabakalar arasına gömülen uzatılmış gümüş nanoparçacıkları ile yapılır. Bu polarizörler daha dayanıklıdır ve ışığı plastik Polaroid filmden daha iyi polarize eder, polarizasyon oranları 100,000:1 e varacak kadar yüksek, doğru polarizasyondaki ışığın soğrulması ise %1.5kadar düşüktür.  Böyle cam polarizörler kısa-dalgaboyundaki kızılötesi ışınlar için en iyisidir ve optik fiber iletişiminde geniş bir kullanım alanı vardır.

Işın-saçıcı polarizörler

Işın saçıcı polarizörler gelen ışını farklı lineer polarizasyonda iki ışına böler. İdeal bir polarizör ışın-saçıcı bu iki ışını ortogonal(birbirine dik) polarizasyonda tamamen polarize eder. Fakat birçok yaygın ışın-saçıcı polarizörde bu ışınlardan sadece biri tam olarak polarize olur. Diğeri ise polarizasyon durumlarının bir karışımını içerir.
Soğurucu polarizörlerin aksine ışın-saçıcı polarizörler soğurmaya ve istenmeyen polarizasyondaki enerjiyi harcamaya gerek duymazlar, bu yüzden lazer ışığı gibi yüksek yoğunluktaki ışınlarla kullanım için daha uygundurlar. Polarizasyonun iki bileşeni de analiz edilecek veya kullanılacaksa gerçek ışın-saçıcı polarizörler kullanışlıdır.

Yansıma ile polarizasyon

Işık iki saydam malzeme arasında belli bir açıda yansıdığı zaman, gelen ışığın düzleminde polarize olan ışık ile düzleme dik polarize olan ışık için yansıma özellikleri farklıdır. Düzleme paralel polarize olan ışık p-polarizasyonunda, düzleme dik olan ise s-polarizasyonundadır. Brewster açısı olarak biline özel bir açıda, p-polarizasyonundaki hiçbir ışık yansımaz, böylece tüm yansıyan ışık gelen ışın düzlemine dik elektrik alana sahip ve s-polarizasyonunda olmak zorundadır.
Basit bir lineer polarizör, bir cam tabaka destesini gelen ışına Brewster açısında eğerek elde edilebilir. S-polarizasyonundaki ışığın bir kısmı her tabakanın yüzeyinden yansıtılır. Birçok tabaka ile her yansıma gelen ışığın s-polarizasyonunu harcar, bu da her aşamada daha büyük bir p-polarizasyonu kalmasını sağlar. Havada ve camda görülebilir ışık için Brewster açısı 57 derece civarındadır, ve s-polarizasyonlu ışığın yaklaşık %16 sı her cam-hava ve hava-cam geçisinde yansıtılır. Alelade bir polarizasyon için bile bu yöntemde birçok tabaka gereklidir. 10 tabaka için(20 yansıma) s-polarizasyonlu ışığın %3 ü kadarı iletilir. Yansıyan ışın tamamen polarize olsa bile etrafa dağıldığından pek kullanışlı değildir.
Tabakaları gelen ışığa daha dik bir açıda ayarlayarak daha kullanışlı bir polarize ışın elde edilebilir. Sezgilere aykırı olarak, Brewster açısından daha yüksek açılar kullanmak, toplam iletimi azaltsa da iletilen ışının daha çok polarize olmasına yol açar. 80 dereceden daha dik açılarda polarizasyon 4 tabaka kadar az bir miktar ile %100 e  kadar çıkabilir, tabi bu durumda iletilen ışının yoğunluğu çok düşüktür. Daha çok tabaka ekleyerek açıyı azaltmak iletim ve polarizasyon arasında daha iyi bir oran kurulmasını sağlar.

Çiftkırılım polarizörleri

Diğer lineer polarizörler kuartz ve kalsit gibi kristallerin çiftkırılım özelliklerini istismar eder. Bu kristallerde yüzeylerine gelen polarize olmamış bir ışık kırınım ile ikiye ayrılır. Bu ışınlardan biri, doğal o-ışını için Snell yasası geçerlidir, fakat doğal olmayan e-ışını için geçerli değildir. Genel olarak, kristal eksenine bağllı belli yayılma yönleri dışında lineer polarizasyon durumlarında değilse de iki ışın farklı polarizasyon hallerinde olacaktır. Bu iki ışın aynı zamanda kristalde farklı kırınım endekslerine sahip olur.
İzlanda kristali(Nicol prism), kalsit kristalinin ayrılıp tekrar Kanada balsamıyla birleştirilmesiyle oluşan bir erken dönem çiftkırılım polarizör tipidir. Kristal, o- ve e- ışınları ortogonal lineer polarizasyonda olacak şekilde kesilmiştir. Balsam arayüzünde o-ışınının tamamen iç yansıması gerçekleşir, çünkü kalsitte balsamdan daha yüksek kırıcılıkla karşılaşır ve ışın kristalin yan tarafına doğru bükülür. Kalsit içinde daha küçük bir kırıcılık gören e-ışını, arayüz boyunca bükülme olmadan iletilir. İzlanda kristali yüksek saflıkta bir polarizasyon ortaya koyar ve mikroskopi alanında kapsamlı olarak kullanılırdı, yine de modern kullanımda yerini Glan-Thompson prizması, Glan-Faucault prizması ve Glan-Taylor prizması gibi alternatiflere bırakmıştır. Bu prizmalar gerçek ışın-saçıcı polarizörler değildir çünkü sadece iletilen ışın tamamen polarize olur.
 
Wollaston prizması ortogonal eksenlere sahip iki adet üçgen kalsit prizmasının yapıştırılması ile oluşan diğer bir çiftkırılım polarizörüdür. İç arayüzde polarize olmamış bir ışın, prizmayı 15-45 derecelik bir sapma açısıyla terkeden iki lineer polarizasyonlu ışına ayrılır.
Rochon ve Senarmont prizmaları da benzerdir, fakat birleştirilen prizmalarda farklı optik eksen düzenleri kullanırlar. Senarmont prizmasına, Wollaston ve Rochon prizmalarının aksine hava yerleştirilmiştir. Bu prizmalar gelen ışını birbirine dik iki tam polarize ışına böler. Nomarski prizması Wollaston prizmasının bir çeşididir, diferansiyel zıt girişim mikroskopisinde kullanılır.

İnce film polarizörleri

İnce-film lineer polarizörler üzerine özel bir optik kaplama uygulanan cam substratlardır. Filmdeki girişim etkileri ışın-saçıcı polarizörler gibi davranmalarına sebep olur. Film için belli bir açıda ışının içine yerleştirilen bir levha veya film diagonal olarak geçecek şekilde birbirine kenetlenmiş, küp oluşturan iki cam takoz substrat olarak kullanılabilir.
İnce-film polarizörleri genel olarak Glan-tipi polarizörler kadar iyi değildir, fakat ucuzdurlar ve aynı derecede iyi polarize olmuş iki ışın verebilirler. Küp-tipi polarizörler genellikle düzlem polarizörlerden daha etkilidir. İlki kolaylıkla Glan-tipi çiftkırılım polarizörleriyle karıştırılır.

Dairesel polarizörler

Dairesel polarize filtreler olarak da bilinen dairesel polarizörler, dairesel polarize olan  ışık yaratmak için veya saat yönünde ve saat yönünün tersine dairesel polarize ışığı seçici olarak soğurmak veya geçirmek için kullanılabilir.
Fotoğrafçılıkta polarize filtreler olarak metallik olmayan yüzeylerden yansımayı azaltmak için kullanılır, ve sağ ve sol göze gelen görüntüyü değiştirmek için farklı polarizasyon açıları kullanan stereoskopik filmleri izlerken takılan 3D gözlüklerin lensleridir.

Dairesel polarize ışığın oluşturulması

Dairesel polarize ışık yaratmak için birçok yöntem vardır, bunlardan en ucuz ve en yaygını lineer bir polarizörün arkasına çeyrek-dalga tabakası yerleştirmek ve polarize olmayan ışığı polarizöre yöneltmektir. Lineer polarizörü terk eden ışık çeyrek-dalga tabakası tarafından dairesel polarize ışığa dönüştürülür.
Lineer polarizörün geçiş ekseni, çeyrek-dalga tabakasının hızlı ve yavaş eksenlerinin tam ortasında (45 derecede) olmalıdır. Yukarıdaki düzende lineer polarizörün geçiş ekseni sağ yatay ile pozitif 45 derecelik bir açıda ve turuncu çizgi ile gösterilmiştir. Çeyrek-dalga levhası yatay bir yavaş eksene ve dikey bir hızlı eksene sahip ve bu eksenler de turuncu ile gösteriliyor. Bu örenekte lineer polarizöre giren polarize olmamış ışık, genliği ve lineer polarizasyon açısı aniden değişen tek bir dalga olarak gösteriliyor.
Lineer polarizörden polarize olmamış ışık geçerken, sadece pozitif 45 derecede elektrik alana sahip olan ışık lineer polarizörü terkeder ve çeyrek-dalga levhasına girer. Resimde polarize olmayan üç dalgaboyu lineer polarizörün öbür tarafında lineer polarize olmuş üç dalgaboyuna dönüşüyor.
Şekilde sağda lineer polarize ışiığın elektrik alanı çeyrek-dalga levhasına girmeden hemen önce görülüyor. Kırmızı çizgi ve ilgili alan vektörleri elektrik alanın büyüklüğü ve yönünün ilerleme doğrultusu boyunca nasıl değiştiğini gösteriyor. Bu düzlemsel elektromanyetik dalga için her vektör, ilerleme yönüne dik olan tüm düzlem için elektrik alanın büyüklüğü ve yönünü temsil ediyor. Şekillerde ışık ve diğer tüm elektromanyetik dalgaların sahip olduğu, elektrik alanla aynı fazda ve ona dik olan bir manyetik alan gösteriliyor.
Çeyrek-dalga levhasının lineer polarize olmuş ışık üstündeki etkisini anlamak için ışığın birbirine dik iki bileşene ayrıldığını düşünmek faydalı olur. Bu kısma doğru, mavi ve yeşil çizgiler kırmızı çizginin dikey ve yatay eksenlere izdüşümleridir ve elektrik alanın bu iki düzlem yönünde nasıl değiştiğini gösterir. İki bileşen aynı genlikte ve aynı fazdadır.
Çeyrek-dalga levhası bir çiftkırılım malzemesinden yapıldığı için, ışık bu levhada elektrik alanının yönüne bağlı olarak farklı hızlarda ilerler. Bunun anlamı yavaş eksen hizasındaki yatay bileşenin hızlı dikey eksen hizasındaki bileşene göre daha yavaş ilerleyeceğidir. Başlangıçta iki bileşen aynı fazdadır, fakat, dalga levhasından geçerken yatay bileşen dikey bileşenden geride kalır. Dalga levhasının kalınlığını ayarlayarak ışık levhadan çıkarken yatay bileşenin ne kadar geride kalacağı kontrol edilebilir ve yeniden aynı hızda ilerlemeye devam ederler. Işık çeyrek-dalga levhasını terkettiğinde, sağdaki yatay bileşen dikey bileşenin tam olarak bir dalgaboyunun çeyreği kadar gerisinde kalacaktır, bu da ışığı sol-el dairesel polarize yapar.
Şeklin sağ üst kısmında levhayı terkeden dairesel polarize ışık, ve hemen altında karşılaştırma amacıyla levhaya giren lineer polarize ışık görülüyor. Üst resimde dalga düzlemsel olduğundan eksenden spirale doğru olan vektörler, ilerleyiş yönüne dik tüm düzlem için elektrik alanın büyüklüğünü ve yönünü göstermektedir. Tüm elektrik alan vektörlerinin büyüklüğü aynıdır, bu da elektrik alan gücünün değişmediğini gösterir. Elektrik alan yönü sürekli döner.
Mavi ve yeşil çizgiler spiralin dikey ve yatay eksenlere izdüşümüsür ve elektrik alanın bu iki düzlemdeki değişimini gösterir. Sağ taraftaki yatay bileşenin dikey bileşenden bir çeyrek dalgaboyu geride olduğuna dikkat edin. Elektrik alanın rotasyonel doğasını sağlayan işte bu çeyrek dalgaboyu büyüklüğündeki faz kaymasıdır. Bir bileşen maksimumda iken diğeri her zaman sıfırdır. İki bileşenin maksimumlarını gösteren spiral vektörlerinin olma sebebi budur.
Gösterilen örnekte fizikçilerin kullandığı el kuralını kullanarak ışığın sol-el/saat yönü tersine dairesel polarize olduğunu anlayabiliriz. İlerleme yönünün tersini sol elin başparmağı olarak alırsak, dalga belli bir noktadan geçerken diğer parmaklar elektrik alanın rotasyon yönüne doğru kıvrıldığından animasyon sola devirlidir. Spiral de aynı zamanda uzayda sola devirli bir spiral oluşturur. Benzer şekilde bu ışık saat yönü tersine doğru dairesel polarize olarak kabul edilir çünkü sabit bir gözlemci ilerleme yönünün tersine doğru bakıyorsa dalga gelirken elektrik alanının saat yönünün tersine doğru rotasyon yaptığını görür.
Sağ rotasyonlu, saat yönünde dairesel polarize bir ışık yaratmak için çeyrek-dalga levhasının eksenini basitçe lineer polarizöre göre 90 derece çevirmek yeterlidir. Bu işlem, yavaş ve hızlı eksenlerin lineer polarizörün iletim eksenine göre yerlerini tersine çevirir böylece geride kalan bileşen de tersine dönmüş olur.
Çeyrek-dalga levhasının lineer polarize ışığı nasıl değiştirdiğini değerlendirirken, belirtilen iki bileşenin tek başına değerler olmayıp gerçekleşen olayı açıklamak için oluşturulan yapılar olduğunu unutmamak gerekir. Lineer ve dairesel polarize ışık probleminde, uzayın her noktasında ayrı vektör yönü olan tek bir elektrik alan vardır, çeyrek-dalga levhası sadece bu tek elektrik alana etki eder.

Dairesel polarize ışığın soğurulması ve geçirilmesi

Dairesel polarizörler aynı zamanda sağ rotasyonlu veya sol rotasyonlu dairesel polarize ışığın seçici olarak soğurulmasında veya geçirilmesinde kullanılabilir. Stereoskopik sinemalarda kullanılan 3D gözlükler tarafından yapılan da budur. İki polarizasyondan birini oluşturan bir polarizör ışık diğer yönde gönderildiği zaman aynı polarizasyonu geçirir. Zıt olan polarizasyonu ise engeller.
Yukarıdaki örnek önceki benzer örnekle sol rotasyonlu dairesel polarize ışığın polarizöre ters yönden yaklaşması ve lineer polarize ışığın polarizörden sağa doğru çıkması dışında aynıdır.
Dikkat edilmesi gereken bir nokta çeyrek-dalga levhasının her zaman dairesel polarize ışığı lineer polarize ışığa çevirdiğidir. Çeyrek-dalga levhasındaki hızlı ve yavaş eksenlerin konumlanması ve dairesel polarize ışığın rotasyon yönü tarafından belirlenen tek şey lineer polarize ışığın polarizasyon açısıdır. Örnekte polarizöre giren sol rotasyonlu dairesel polarize ışık, polarizasyon yönü lineer polarizörün geçiş ekseninde olan lineer polarize ışığa dönüşüyor ve geçebiliyor. Tam aksine, sağ rotasyonlu dairesel polarize ışık polarizasyon yönü soğurma ekseninde olan lineer polarize ışığa dönüşürdü, ki soğurma ekseni geçiş eksenine diktir bu yüzden ışık engellenirdi.
Bu işlemi anlamak için sağdaki örneğe bakınız. Tamamen önceki örnekle aynı fakat bu kez dairesel polarize ışık bu kez polarizöre soldan yaklaşıyor. Şekilden de gözlemleneceği gibi soldaki yatay bileşen dikey bileşenden öndedir ve yatay bileşen bir çeyrek dalga boyu kadar gecikirse aşağıda gösterilen lineer polarize ışığa çevrilir ve polarizörden geçiş yapabilir.
Belirli bir rotasyonda dairesel polarizasyon oluşturan bir polarizörün aynı zamanda neden aynı rotasyonlu polarize ışığı geçirebildiğini değerlendirmenin doğrudan bir yolu vardır. Öncelikle, bu şeklin çift taraflı kullanışlılığını ele alırsak, yukarıda gösterilen dairesel polarize ışığın çeyrek-dalga levhasını terkederek sola doğru hareket ettiğini düşünelim. Lineer polarize ışığın yatay bileşeni iki kere çeyrek dalgaboyu kadar gecikme yapsaydı, ki bu yarım dalgaboyu demek, sonuç giren ışığa dik açıda bir lineer polarize ışık olurdu. Eğer bu şekilde bir ortogonal polarize ışık yatay düzlemde döndürülse ve lineer polarizöre geri gönderilse açıkça geçerdi. Şimdi ise çeyrek-dalga levhasından zaten geçmiş olan ve geri döndürülüp dairesel polarizöre tekrar yönlenen dairesel polarize ışığı düşünelim. Yukarıda gösterilen dairesel polarize ışık bu ışık olsun. Bu ışık, lineer polarizöre ulaşmadan önce çeyrek-dalga levhasından ikinci kez geçecektir, yatay bileşeni ikinci kez çeyrek dalgaboyu kadar geride kalacaktır. Yatay bileşen iki defa çeyrek dalgaboyu kadar gecikse de,  bir defa yarım dalgaboyu kadar gecikse de, ortaya çıkan lineer polarize ışığın oryantasyonu onun lineer polarizörden geçmesine izin verecek şekilde olur.
Eğer sağ rotasyonlu, saat yönünde dairesel polarize ışık soldan dairesel polarizöre yaklaşsaydı, onun da yatay bileşeni gecikmeye uğrardı, fakat ortaya çıkan lineer polarize ışık lineer polarizörün soğurma ekseninde polarize olacağı için geçemezdi.
Sağ rotasyonlu dairesel polarize ışığı geçirip sol rotasyonlu ışığı soğuran bir dairesel polarizör yapmak için dalga levhasını ve lineer polarizörü tekrar birbirlerine 90 derece yapacak şekilde döndürmek gerekir. Lineer polarizörün geçiş ve soğurma eksenlerinin yerlerini dalga levhasına göre ters çevirerek geçirilen ve soğurulan polarize ışığın hangi rotasyonda olacağı değiştirilebilir.

Homojen dairesel polarizör

Homojen dairesel polarizör belli rotasyondaki dairesel polarizasyonu değiştirmeden geçirir ve diğerini bloke eder. Bu, lineer polarizörün belli açıdaki lineer polarize ışığı değişmeden tamamen geçirip ona dik olan tüm polarizasyonları engellemesine benzer.
Homojen bir dairesel polarizör iki çeyrek-dalga levhası arasına bir lineer polarizör sıkıştırmakla elde edilebilir. Özel olarak, önceki tanımlanan, dairesel polarize ışığı lineer polarize ışığa çeviren dairesel polarizörü alıp 90 derece döndürülmüş ikinci bir çeyrek-dalga levhasına ekleyebiliriz.
Genel olarak, iki dairesel polarizasyondan herhangi biri dairesel polarizöre girdiği zaman, birbirine dik olan bileşenlerden biri diğerine göre çeyrek dalgaboyu kadar gecikir. Bu da iki rotasyondan birinde dairesel polarizasyon yaratır. Çeyrek-dalga levhalarının arasına konan lineer polarizör öyle konumlanır ki bir lineer polarizasyonu geçirip diğerini geçirmez. İkinci çeyrek-dalga levhası bu kez lineer polarize ışığı alır ve önceki levhanın gecikmeye uğratmadığı diğer ortogonla bileşeni gecikmeye uğratır. Bu da iki bileşeni başlangıçtaki faz ilişkilerine geri getirir,seçilen dairesel polarizasyonu tekrar kurar.
Dairesel polarize ışığın hangi yönde geçtiği önemli değildir.