โพลาไรเซอร์

โพลาไรเซอร์ (Polarizer หรือ Polariser) เป็นตัวกรองแสงซึ่งสามารถทำให้แสงซึ่งมีโพลาไรซ์ตามแนวที่กำหนดหรือแบบที่ต้องการผ่านได้ ส่วนแสงที่มีโพลาไรซ์แบบอื่นจะถูกปิดกั้นไว้มิให้ผ่านได้ นอกจากนี้ โพลาไรเซอร์ยังสามารถแปลงแสงซึ่งมีโพลาไรซ์แบบผสมหรือไม่ทราบทิศทางให้กลายเป็นแสงโพลาไรซ์ได้อีกด้วย เรียกแสงที่ผ่านโพลาไรเซอร์ว่า แสงโพลาไรซ์

ในชีวิตประจำวัน โพลาไรเซอร์มีสองชนิด คือ โพลาไรเซอร์เชิงเส้น (linear polarizer) และ โพลาไรเซอร์เชิงวงกลม (circular polarizer) โพลาไรเซอร์เหล่านี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในทางการถ่ายภาพ การประดิษฐ์เครื่องมือทางแสง จอภาพผลึกเหลว ได้อีกด้วย นอกเหนือจากแสงแล้ว ยังมีโพลาไรเซอร์สำหรับคลื่นวิทยุ (เช่นเสาอากาศ) คลื่นไมโครเวฟ และรังสีเอกซ์

โพลาไรเซอร์เชิงเส้นแบ่งได้เป็นสองประเภทคือ โพลาไรเซอร์ดูดกลืน (absorptive polarizer) ซึ่งทำงานโดยการดูดกลืนแสงโพลาไรซ์ในทิศที่ไม่ต้องการออกเสีย และโพลาไรเซอร์แบ่งลำแสง (beam-splitting polarizer) ซึ่งทำงานโดยการแยกลำแสงออกเป็นสองลำ แต่ละลำมีทิศทางการสั่นหรือโพลาไรซ์ตรงข้ามกัน

โพลาไรเซอร์ชนิดตับลวด (wire-grid polarizer) เป็นโพลาไรเซอร์แบบที่ง่ายที่สุด ประกอบด้วยลวดโลหะขนาดเล็กมากเรียงกันเป็นตับบนระนาบที่ตั้งฉากกับเส้นลำแสง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใดที่มีองค์ประกอบในทิศขนานกับเส้นลวด จะกระตุ้นให้อิเล็กตรอนในตับลวดเคลื่อนไปตามเส้นลวด จากนั้นจึงสะท้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากลับ โดยมีพลังงานบางส่วนสูญเสียไปเป็นพลังงานความร้อน ในส่วนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีองค์ประกอบในทิศตั้งฉากกับแนวลวด อิเล็กตรอนไม่สามารถเคลื่อนที่ไปได้ไกลนัก ส่งผลให้เส้นลวดไม่สามารถสะท้อนพลังงานกลับไปได้ จึงยอมให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านออกไป จากความจริงข้างต้นทำให้ได้ว่าทิศทางการโพลาไรซ์ของโพลาไรเซอร์ชนิดตับลวด คือ ทิศตั้งฉากกับแนวลวด ซึ่งขัดแย้งกับการมองว่าคลื่นสามารถลอดผ่านรูระหว่างลวดสองเส้นในตับลวดได้

ในทางปฏิบัติ มักกำหนดให้ระยะระหว่างเส้นลวดสองเส้นในตับลวด น้อยกว่าความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และเส้นลวดควรมีขนาดเล็กกว่านั้นมาก ๆ ส่งผลให้โพลาไรเซอร์ชนิดนี้นิยมใช้กับคลื่นไมโครเวฟ และรังสีอินฟราเรด หากจะใช้กับแสงที่มองเห็น จะต้องใช้เทคนิคการพิมพ์หิน (lithography) ในการผลิตตับลวด เนื่องจากสัดส่วนโพลาไรซ์ (degree of polarization) ไม่ค่อยขึ้นกับความยาวคลื่นและมุมตกกระทบ ทำให้โพลาไรเซอร์ชนิดนี้นิยมใช้ในช่วงย่านความถี่กว้าง ๆ
โพลาไรเซอร์ชนิดดูดกลืน (absorptive polarizer) ทำงานโดยอาศัยผลึกบางชนิด ซึ่งสามารถดูดกลืนแสงโพลาไรซ์ลักษณะหนึ่งได้ ทำให้มีการนำมาใช้งานเป็นโพลาไรเซอร์ ตัวอย่างของผลึกซึ่งมีสมบัติดังกล่าวคือ ทัวร์มาลีน (tourmaline) อย่างไรก็ตาม ทัวร์มาลีนมีสมบัติขึ้นกับความยาวคลื่น นอกจากนี้ตัวผลึกยังมีสีด้วย จึงนิยมใช้เฮราพาไทต์ (Herapathite) ซึ่งไม่มีสีแต่สร้างให้ผลึกมีขนาดใหญ่ยาก แทน

ตัวกรองโพลารอยด์เดิมทีทำจากผลึกเฮราพาไทต์ แต่ต่อมาได้มีการดัดแปลงขึ้นให้ทำงานคล้ายกับโพลาไรเซอร์ชนิดตับลวด วิธีการผลิตมีดังนี้ คือผลิตแผ่นโพลิไวนิลแอลกอฮอล์เจือไอโอดีน จากนั้นยืดไปในทางใดทางหนึ่งจนอนุภาคไอโอดีนที่เจือสามารถเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกับทิศที่ยืด อนุภาคไอโอดีนนี้เองที่ทำงานเหมือนกับอิเล็กตรอนในตับลวด ตัวกรองโพลารอยด์ปัจจุบันนำไปใช้ทำแว่นกันแดด ตัวกรองแสงสำหรับถ่ายภาพ และหน้าจอผลึกเหลว มีข้อดีคือ ทน ราคาถูก

นอกจากโพลาไรเซอร์ที่กล่าวมาแล้ว โพลาไรเซอร์ยังสามารถทำได้จากอนุภาคนาโนเงินฝังในแผ่นแก้วบางมาก (≤0.5 mm) ทำให้ได้โพลาไรเซอร์ที่ทนกว่าและประสิทธิภาพดีกว่าโพลารอยด์ ซึ่งเห็นได้จากสัดส่วนโพลาไรเซชันที่ 100,000:1 และสัดส่วนดูดกลืนแสงโพลาไรซ์แนวเดียวกัน 1.5% โพลาไรเซอร์ชนิดนี้มีประสิทธิภาพดีในย่านอินฟราเรดคลื่นสั้น และนิยมใช้ในการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง

โพลาไรเซอร์ชนิดแยกลำแสง (Beam-splitting polarizers) ทำงานโดยแยกลำแสงตกกระทบเป็นสองลำ แต่ละลำมีโพลาไรเซชันแตกต่างกัน โพลาไรเซชนันชนิดนี้ทำงานได้ดีเมื่อใช้แยกโพลาไรเซชันสองชนิดที่ตั้งฉากกัน แต่ในทางปฏิบัติแล้วมีเพียงสองลำแสงที่โพลาไรซ์อย่างสมบูรณ์ ส่วนลำแสงที่เหลือเป็นแสงโพลาไรซ์แบบผสม

โพลาไรเซอร์ชนิดแยกลำแสงไม่ดูดกลืนแสงโพลาไรซ์ที่ไม่ต้องการ แต่ทำหน้าที่แยกออกไปในทิศทางอื่นแทน ดังนั้นจึงนิยมใช้ในทางการสื่อสารข้อมูลด้วยแสงเลเซอร์ หือการวิเคราะห์และใช้งานลำแสงโพลาไรซ์สองชนิดพร้อมกัน

เมื่อแสงตกกระทบรอยต่อระหว่างตัวกลางโปร่งใสสองชนิดที่มีดัชนีหักเห แตกต่างกัน ค่าการสะท้อนของแสงโพลาไรซ์ตั้งฉากกับระนาบตกกระทบ (s) และแสงโพลาไรซ์บนระนาบตกกระทบ (p) จะแตกต่างกัน ถ้ามุมตกกระทบเท่ากับมุมค่าหนึ่งที่เรียกว่า มุมบรูว์สเตอร์ (Brewster's angle) จะทำให้ลำแสงสะท้อนเป็นแสงโพลาไรซ์ในทิศทางตั้งฉากกับระนาบตกกระทบ (s) ชนิดเดียว สำหรับแสงที่ตกกระทบรอยต่ออากาศ-แก้ว จะได้ว่ามุมบรูว์สเตอร์มีค่า 57° อนึ่ง โพลาไรเซอร์แบบสะท้อนนิยมทำด้วยกระจกหลายอันประกบติดกัน และจากการทดลองพบว่าลำแสงโพลาไรซ์แบบ s ประมาณ 16% จะสะท้อนที่รอยต่ออากาศ-กระจก หรือกระจก-อากาศ ส่วนที่เหลือนั้นสะท้อนในแนวรอยต่อระหว่างกระจก ซึ่งถ้าวางกระจกหนาหลายชั้น แม้ว่าจะได้ลำแสงโพลาไรซ์เข้มขึ้น แต่ก็เป็นลำแสงที่กว้างและไม่ค่อยมีประโยชน์มากนัก

หากสร้างโพลาไรเซอร์โดยเรียงกระจกซ้อนกันหลายชั้น อาจเพิ่มปริมาณของแสงโพลาไรซ์ในลำแสงส่องผ่านได้ โดยการเพิ่มมุมตกกระทบให้มากกว่ามุมบรูว์สเตอร์ ซึ่งอาจได้ถึง 100% ถ้าใช้กระจกสี่แผ่นเรียงติดกันและมุมตกกระทบ 80° แต่ความเข้มแสงจะลดลง ยิ่งเพิ่มจำนวนชั้นของกระจก ก็จะได้แสงโพลาไรซ์ในสัดส่วนมากขึ้นแต่ความเข้มน้อยลง

โพลาไรเซอร์แบบหักเหสองแนว (birefringent polarizer) ทำงานโดยอาศัยหลักการหักเหสองแนวของผลึกเช่นเขี้ยวหนุมาน และแคลไซต์ ซึ่งเป็นผลึกที่สามารถแยกลำแสงตกกระทบออกเป็นสองลำ ลำหนึ่งเป็นไปตามกฎของสเนลล์ เรียกว่า รังสีสามัญ (ordinary "o" ray) อีกลำไม่เป็นไปตามกฎของสเนลล์ เรียกว่า รังสีวิสามัญ (extraordinary "e" ray) รังสีทั้งสองนี้ มีสถานะโพลาไรเซชันที่แตกต่างกัน แต่ไม่จำเป็นต้องเป็นโพลาไรซ์เชิงเส้น อาจจะเป็นโพลาไรซ์แบบหมุนก็ได้ นอกจากนี้ยังมีค่าดัชนีหักเหที่ไม่เหมือนกันแม้เป็นผลึกก้อนเดียวกันด้วย

โพลาไรเซอร์แบบหักเหสองแนวที่รู้จักกันดี ได้แก่ ปริซึมนิคอล (Nicol prism) ซึ่งเป็นผลึกแคลไซต์สองก้อนประสานด้วยน้ำมันสนบาลซัม (Canada Balsam) ผลึกดังกล่าวจะตัดให้มีลักษณะที่รังสีสามัญกับรังสีวิสามัญมีสถานะโพลาไรเซชันตั้งฉากกัน จากนั้นเมื่อรังสีสามัญกระทบรอยต่อ จะเกิดการสะท้อนไปทางข้างของปริซึม ส่วนรังสีวิสามัญจะทะลุผ่านได้ตามปกติ ปริซึมชนิดนี้นิยมใช้มากในทางการศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์ ในปัจจุบันได้มีปริซึมแกลน-ทอมป์สัน (Glan–Thompson prism) ปริซึมแกลน-ฟูโก (Glan-Foucault prism) และปรึซึมแกลน-เทย์เลอร์ (Glan–Taylor prism) อนึ่งปริซึมเหล่านี้ไม่สามารถโพลาไรซ์แสงที่สะท้อนได้ มีเฉพาะแสงส่องผ่านเท่านั้นที่ได้รับการโพลาไรซ์แล้ว
ปริซึมโวลลาสตันเป็นโพลาไรเซอร์แบบหักเหสองแนวที่รู้จักกันดีเช่นกัน ทำจากปรึซึมแคลไซต์รูปทรงสามเหลี่ยมสองก้อนเชื่อมติดกัน โดยให้แกนผลึกของแต่ละก้อนตั้งฉากกัน เมื่อฉายแสงโพลาไรซ์แบบผสมเข้าไป จะได้แสงสองลำแยกกันที่แนวเชื่อมระหว่างผลึกออกจากกัน ลำแสงทั้งสองทำมุม 15°–45° นอกจากปริซึมโวลลาสตันแล้ว ยังมีปริซึมโรคอน (Rochon prism) และปริซึมเซนาร์มง (Sénarmont prism) ที่ทำงานคล้ายกัน แตกต่างก็ตรงที่มีการจัดวางแกนผลึกไม่เหมือนกัน นอกจากนี้ ปริซึมเซนาร์มงยังมีอากาศแทรกระหว่างรอยต่อผลึกด้วย ซึ่งไม่เหมือนกับปริซึมโวลลาสตันและปริซึมโรคง

ปริซึมโนมาร์สกี (Nomarski prism) เป็นปรึซึมที่ดัดแปลงจากปริซึมโวลลาสตัน สำหรับใช้ศึกษาวัตถุโปร่งใสมาก ๆ ด้วยกล้องจุลทรรศน์

โพลาไรเซอร์ชนิดฟิล์มบางทำด้วยวัสดุพื้น (ซับสเตรต) เคลือบด้วยฟิล์มบางซึ่งมีสมบัติเฉพาะ ทำให้โพลาไรเซอร์ชนิดนี้สามารถทำงานอย่างโพลาไรเซอร์ชนิดแยกแสง อนึ่งวัสดุพื้นนิยมใช้แผ่นแก้วบาง หรือปลูกไว้บนผิวเอียงของลิ่มแก้ว ซึ่งจะมีลิ่มแก้วอีกอันมาประกบต่อกัน อนึ่ง โพลาไรเซอร์ชนิดฟิล์มบางมีราคาถูก ทำงานได้ไม่ดีเท่าโพลาไรเซอร์แบบปริซึม นอกจากนี้ โพลาไรเซอร์แบบฟิล์มบางแทรกระหว่างลิ่มแก้วจะมีประสิทธิภาพดีกว่าแบบแผ่นแก้วบางธรรมดา

กฎของมาลุส ซึ่งตั้งชื่อตามเอเตียน-ลุย มาลุส กล่าวว่า เมื่อวางโพลาไรเซอร์แบบสมบูรณ์ไว้ในลำแสงที่โพลาไรซ์แล้ว ความเข้มแสงที่ทะลุผ่านโพลาไรเซอร์ออกมา "I" จะกำหนดตามสมการ

โดยที่ "I" แทนความเข้มเริ่มต้น และ "θ" แทนมุมวัดระหว่างแกนโพลาไรซ์กับแนวการโพลาไรซ์ของลำแสงเริ่มต้น ในลำแสงธรรมชาติซึ่งมีโพลาไรซ์ในทุกทิศทางผสมปนกัน เราจำเป็นจะต้องเฉลี่ยค่าโคไซน์ของมุมที่เป็นไปได้ทั้งหมด และจากการที่ค่า formula_2 เท่ากับ 1/2 ทำให้ได้ว่า

ในทางปฏิบัติ แสงบางส่วนถูกดูดกลืนไปภายในตัวโพลาไรเซอร์ ทำให้ความเข้มแสงที่ทะลุผ่านออกมาลดลงไปบ้าง ในโพลาไรเซอร์แบบโพลารอยด์ ความเข้มแสงจะลดลงราว ๆ 38% ส่วนปริซึมหักเหสองแนว ความเข้มแสงจะลดลงมากกว่าครึ่งหนึ่ง

หากมีโพลาไรเซอร์สองอันวางเรียงในแนวเดียวกัน โดยกำหนดให้โพลาไรเซอร์ตัวที่สองเรียกว่า อะนาไลเซอร์ (ตัววิเคราะห์) จะได้ว่า มุม θ ในกฎของมาลุสคือมุมวัดระหว่างแกนโพลาไรเซอร์ทั้งสองดังกล่าว เมื่อแกนโพลาไรเซอร์ทั้งสองถูกปรับให้ตั้งฉากกัน ในทางทฤษฎีจะได้ว่าไม่มีแสงผ่านออกไปได้ แม้ว่าโพลาไรเซอร์จริงอาจยอมให้แสงผ่านออกไปได้เล็กน้อยจนเห็นเป็นสีราง ๆ อัตราส่วนระหว่างแสงที่เล็ดลอดออกมาได้กับแสงก่อนการผ่าน เรียกว่า อัตราส่วนการสูญเสีย (extinction ratio) มีได้ตั้งแต่ 1:500 สำหรับโพลารอยด์ และ 1: สำหรับปริซึมแกลน-เทย์เลอร์ นอกจากนี้ ถ้าวางวัตถุโปร่งแสงไว้ระหว่างโพลาไรเซอร์ทั้งสอง อาจเห็นความเข้มของแสงมากขึ้น ซึ่งเป็นผลมาจากสมบัติโพลาไรเซชันของวัตถุดังกล่าว การวัตสมบัติของวัสดุด้วยวิธีนี้เรียกว่า โพลาริเมตรี (polarimetry)

ในรังสีเอกซ์ กฎของมาลุสจะคิดถึงผลของสัมพัทธภาพ และกำหนดตามสมการ

โดยที่formula_5 แทนความถี่ของรังสีเอกซ์ก่อนผ่านเข้าสู่โพลาไรเซอร์ formula_6 แทนความถี่ของรังสีเอกซ์หลังผ่านโพลาไรเซอร์ formula_7 แทนความยาวคลื่นคอมป์ตันของอิเล็กตรอน formula_8 แทนอัตราเร็วแสงในสุญญากาศ

โพลาไรเซอร์วงกลม (circular polarizer) เป็นโพลาไรเซอร์ชนิดที่สามารถสร้างแสงที่โพลาไรซ์กวาดเป็นเกลียวกลม โดยยอมให้องค์ประกอบสนามไฟฟ้าในแนวตั้งและแนวนอนผ่านเข้ามาด้วยสัตส่วนรวมถึงความต่างเฟสที่เหมาะสม หรืออาจจะแยกแสงที่โพลาไรซ์เป็นวงกลมอยู่แล้วออกให้เหลือชนิดเดียว นิยมใช้ในการถ่ายภาพ (ลดแสงสะท้อนออก) และการผลิตแว่นสามมิติชนิด RealD 3D

การสร้างแสงโพลาไรซ์เป็นวงกลมหรือวงรี ทำได้โดยการปรับองค์ประกอบสนามไฟฟ้าในแกนตั้งและแกนนอนให้มีความต่างเฟสที่เหมาะสม เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไป องค์ประกอบแต่ละองค์ประกอบจะสลับกันขยายและหด ซึ่งเมื่อนำมารวมกันแบบเวกเตอร์จะได้รูปวงรีหรือวงกลม ในทางปฏิบัติ นิยมใช้เวฟเพลตชนิดหนึ่งในสี่ของคลื่น (quarter-wave plate) ซึ่งทำจากวัสดุหักเหสองแนว วางต่อจากโพลาไรเซอร์เชิงเส้น จากนั้นจึงให้แสงไม่โพลาไรซ์ (หรือแสงโพลาไรซ์แบบผสม) ผ่านเข้าสู่โพลาไรเซอร์เชิงเส้นจนได้แสงโพลาไรซ์ เมื่อแสงโพลาไรซ์ผ่านเข้าเวฟเพลต จะเกิดการแยกออกเป็นองค์ประกอบตามแกนสองแกน ได้แก่ แกนช้า (slow axis) และแกนเร็ว (fast axis) ซึ่งตั้งฉากกัน สนามไฟฟ้าที่แยกเข้าแต่ละแกนแล้วจะเคลื่อนที่ในลักษณะที่มีความต่างเฟสไม่เป็นศูนย์อีกต่อไป เมื่อแกนหนึ่งดับ อีกแกนก็จะสว่าง สลับกันเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ ทำให้สนามไฟฟ้าที่เกิดจากการทับซ้อนเริ่มเคลื่อนที่กวาดเป็นวิถีเกลียวกลม จากรูปสังเกตว่า แกนโพลาไรซ์ของโพลาไรเซอร์ตัวแรกจัดไว้ที่ 45° เพื่อให้สามารถแยกองค์ประกอบของสนามไฟฟ้าเข้าแกนช้าและแกนเร็วได้เท่ากัน เป็นผลให้แสงที่ทะลุผ่านแผ่นเวฟเพลตมีโพลาไรเซชันเป็นวงกลมตามที่ต้องการ

นอกจากการสร้างแสงโพลาไรซ์แบบวงกลมแล้ว เวฟเพลตยังสามารถยอมให้แสงที่โพลาไรซ์แบบเดียวกับตัวมันเองผ่านเข้าไปได้ และไม่ยอมให้แสงที่โพลาไรซ์ในทิศตรงข้ามผ่าน หลักการนี้ถูกนำไปใช้ประดิษฐ์แว่นสามมิติชนิด RealD Cinema

โพลาไรเซอร์วงกลมเนื้อเดียว (homogenous circular polarizer) เป็นโพลาไรเซอร์ที่สามารถยอมให้แสงโพลาไรซ์แบบหนึ่งผ่านได้ แต่ไม่ยอมให้อีกแบบผ่าน ทำได้โดยนำแผ่นเวฟเพลตสองแผ่นมาประกบติดกัน คั่นกลางด้วยโพลาไรเซอร์เชิงเส้น เมื่อฉายแสงโพลาไรซ์แบบหมุนซ้ายเข้าไป เวฟเพลตแรกจะมีหน้าที่ปรับความต่างเฟสของสนามไฟฟ้าแต่ละแกนให้เป็นศูนย์ ก่อนผ่านเข้าสู่โพลาไรเซอร์เชิงเส้น หลังจากนั้นจึงผ่านแสงโพลาไรซ์เชิงเส้นเข้าสู่เวฟเพลต เพื่อแปลงกลับเป็นแสงโพลาไรซ์หมุนซ้ายเช่นเดิม

โพลาไรเซอร์แบบเชิงเส้น นิยมใช้ในการถ่ายภาพยุคแรก ๆ รวมถึงกล้องเก่า ๆ แต่ไม่นิยมใช้ในกล้องรุ่นใหม่ ๆ ซึ่งมีการวัดแสงและการโฟกัสอัตโนมัติผ่านเลนส์ หากแสงที่ผ่านเข้ามาเป็นแสงโพลาไรซ์เชิงเส้นอยู่แล้ว ก็จะทำให้ระบบโฟกัสอัตโนมัติไม่มีประสิทธิภาพเท่าที่ควร ดังนั้นจึงนิยมใช้ตัวกรองแบบโพลาไรซ์วงกลมแทน