GRZEGORZ DERFEL TAJEMNICE ŚWIATŁA SPOLARYZOWANEGO

Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 8/1996

Barwa i natężenie to dwie cechy światła,które są rejestrowane przez nasz zmysł wzroku.Natomiast trzecia nieodłączna właściwość światła, jego polaryzacja, pozostaje poza naszymizdolnościami postrzegania.

W większości sytuacji dochodzi do naszych oczu światło częściowo spolaryzowane. Możemy się o tym przekonać w warunkach codziennych, nie uciekając się do pomocy żadnego "naukowego" sprzętu. Zanim opiszę kilka prostych eksperymentów pozwalających obserwować to zjawisko, słów parę o naturze światła.

W różnych zjawiskach fizycznych światło przejawia różne właściwości - korpuskularne bądź falowe. Opisane niżej zjawiska można z powodzeniem interpretować w ramach modelu falowego, uznającego światło za falę elektromagnetyczną. Pozostańmy więc przy takim podejściu.

Każda fala to rozchodzenie się w przestrzeni jakiegoś zaburzenia. W fali elektromagnetycznej są nim zmiany uzależnionych od siebie nawzajem pól - elektrycznego i magnetycznego. Kierunek pola elektrycznego jest prostopadły do kierunku pola magnetycznego, a one oba - prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Falę taką nazywamy poprzeczną. (Odmiennym przypadkiem jest fala podłużna, na przykład dźwiękowa, w powietrzu: kierunek zaburzenia pokrywa się z kierunkiem jej rozchodzenia się).

Pola zmieniają się niesłychanie szybko. Częstość tych zmian decyduje o właściwościach fali i przyjmuje wartości różniące się o wiele rzędów wielkości. Na jednym końcu tego przedziału znajdują się fale radiowe (o częstościach rzędu 10⁴ Hz, czemu odpowiadają długości fal rzędu 10⁴ m). Na przeciwnym - pozostaje promieniowanie gamma o częstości 10²¹ Hz i długości fali 10^-13 m. Światło zajmuje na tej skali stosunkowo wąski obszar od 3.9 x 10¹⁴ Hz (780 nm) dla barwy czerwonej do 8 x 10¹⁴ Hz (380 nm) dla barwy fioletowej.

Spolaryzowana płaska fala elektromagnetyczna biegnąca w prawo wzdłuż osi x. W danej chwili w przestrzeni przenikają się wzajemnie ze sobą powiązane pola elektryczne (E) i magnetyczne (B), prostopadłe do siebie i do osi x. Ich natężenia zmieniają się okresowo: końce wektorów każdego z pól wyznaczają sinusoidę

Można ogólnie przyjąć, że wszystkie źródła wysyłają światło w postaci krótkich impulsów - ciągów falowych - trwających około 10^-8 s. W każdym ciągu pole elektryczne ma ustalony kierunek. Pola elektryczne w różnych ciągach skierowane są w różne strony. Światło złożone z wielkiej ilości takich ciągów nazywamy zwykłym albo niespolaryzowanym. Może się zdarzyć, że jeden z kierunków zostanie w jakiś sposób uprzywilejowany. Oznacza to, że w wiązce światła przeważać będzie pole elektryczne o tym wyróżnionym kierunku. Światło takie nazywamy częściowo liniowo spolaryzowanym. W skrajnym przypadku polaryzacja liniowa może być całkowita: występuje wyłącznie pole o wyróżnionym kierunku. (Spotyka się też inne rodzaje polaryzacji - eliptyczną i kołową, których tu nie będę omawiać). Zauważmy przy tym, że nie jest możliwa polaryzacja fali podłużnej.

Jeśli na powierzchnię dielektryka pada światło zwykłe (prostopadłe kreski równej długości symbolizują równy udział wszystkich składowych pola elektrycznego), to światło odbite jest przynajmniej częściowo spolaryzowane. Przy szczególnym kącie padania, zwanym kątem Brewstera (dla granicy szkło - powietrze wynosi on około 57o), polaryzacja jest całkowita: pole elektryczne skierowane jest prostopadle do płaszczyzny wyznaczonej przez promienie padający i odbity, co zaznaczono poziomymi kreskami

Światło spolaryzowane liniowo można uzyskać, pozbywając się niepożądanych składowych pola elektrycznego. Daje się to osiągnąć na różne sposoby. Pierwszy z nich wykorzystuje odbicie światła od gładkiej powierzchni niemetalicznej. Światło o różnych kierunkach wektora pola elektrycznego odbija się w niejednakowym stopniu. Przy szczególnym kącie padania (zwanym kątem Brewstera) odbiciu ulega tylko światło, w którym kierunek pola elektrycznego jest równoległy do powierzchni odbijającej. Staje się więc ono całkowicie spolaryzowane.

Drugą sytuacją, w której dochodzi do polaryzacji, jest przejście światła przez tzw. ośrodki dwójłomne. Należy do nich na przykład wiele przezroczystych kryształów (jak choćby kryształki cukru). Dwójłomne bywają też rozmaite przezroczyste masy plastyczne, z których wykonuje się, między innymi, naczynia i pudełka do kaset magnetofonowych. Może w nich nastąpić rozdwojenie jednego promienia na wiązki o wzajemnie prostopadłych polaryzacjach. Specjalne polaryzatory pryzmatyczne wykonane z dwójłomnych kryształów służą do wydzielenia jednej z nich.

Częściowa polaryzacja następuje również przy rozpraszaniu światła przez niejednorodności ośrodka przezroczystego. Efekt ten daje, między innymi, polaryzację błękitu nieba. Największy stopień polaryzacji nieba obserwujemy, patrząc prostopadle do promieni słonecznych. Można w ten sposób określić położenie Słońca, nawet gdy jest ono schowane poza linią horyzontu.

Postępowali w ten sposób żeglarze Wikingów, oglądając niebo przez polaryzujący światło kryształ kordierytu. Dzięki temu, że oko owadzie jest wrażliwe na polaryzację, pszczoły również wykorzystują ten efekt, by orientować się w kierunkach lotu. Niektórzy ludzie potrafią dostrzec na błękitnym niebie niewyraźny żółtawy kształt, zwany figurą Haidingera. Świadczy to o występowaniu niewielkiej - w rzadkich, wyjątkowych przypadkach - zdolności oka ludzkiego do rozróżniania polaryzacji.

Światło zwykłe (naturalne), będące mieszaniną ciągów falowych o różnych przypadkowych polaryzacjach, jest tu zilustrowane za pomocą różnie zorientowanych sinusoid (wyznaczonych przez pole elektryczne). Polaryzator foliowy, zwany polaroidem, pochłania poziome składowe pola elektrycznego. Po przejściu przez polaroid pole elektryczne fali świetlnej zawiera się tylko w płaszczyźnie pionowej. Powstałe światło spolaryzowane przedstawione jest za pomocą ciągów falowych o różnych amplitudach. Podwójną strzałką zaznaczono kierunek pola elektrycznego przepuszczanego przez polaroid

Wreszcie czwarty sposób polega na przepuszczeniu światła przez polaryzator wykonany ze specjalnej folii, zwany polaroidem. Pola elektryczne fali świetlnej o "nieodpowiednim" kierunku ulegają w nim pochłonięciu i wychodząca wiązka zawiera światło spolaryzowane. Takim urządzeniem jest na przykład fotograficzny filtr polaryzacyjny. Niektóre minerały (turmalin, kordieryt) mają te same własności.

Obiekt, od którego rozchodzi się światło spolaryzowane, oglądany przez taki filtr jest najjaśniejszy, jeśli polaryzacja światła zgadza się z wyróżnionym kierunkiem filtru. Przy innym położeniu filtru światło słabnie i znika po obrocie o kąt prosty. Tak więc, odpowiednio ustawiając polaryzator, możemy osłabić lub nawet całkowicie wygasić światło odbite od połyskliwych powierzchni, na przykład szyb, mokrej nawierzchni, a nawet gładkich liści czy lśniącego papieru. Możemy także zauważyć, że przy odpowiednim ustawieniu filtru niebo staje się wyraźnie ciemniejsze.

Pryzmat Wollastona sklejony jest z dwóch połówek wyciętych z kryształu kalcytu i dopasowanych tak, aby ich osie optyczne (zaznaczone żółtymi kreskami) były prostopadłe. Fale świetlne, związane ze składowymi pola elektrycznego prostopadłymi i równoległymi do osi optycznych, załamują się na granicy między połówkami. Dzięki szczególnej relacji między ich prędkościami kąty załamania są różne. Następuje więc rozdzielenie promieni. Są one spolaryzowane prostopadle względem siebie

Obserwacje opisane niżej można łatwo samemu odtworzyć w warunkach domowych. Ilustrują one zjawisko polaryzacji przy odbiciu i rozproszeniu, uświadamiając tym samym wszechobecność światła spolaryzowanego. W roli "przyrządów badawczych" użyć można na przykład szyb i plastikowych - a więc dwójłomnych - przedmiotów. Znaczenie tych ostatnich wymaga jeszcze wyjaśnienia.

Specjalne właściwości ośrodków dwójłomnych można, bez wnikania w szczegóły, scharakteryzować w sposób następujący: Załóżmy, że dysponujemy dwoma filtrami polaryzacyjnymi. Ustawmy je tak, aby światło przepuszczone przez pierwszy z nich - a więc spolaryzowane na przykład pionowo, wygaszał drugi filtr (nazwany teraz analizatorem), ponieważ przepuszcza on tylko światło spolaryzowane poziomo. Jeśli jednak między te filtry wstawimy przezroczysty przedmiot sporządzony z materiału dwójłomnego, to - w wyniku dość złożonych zjawisk interferencji - w świetle docierającym do drugiego filtra na ogół pojawią się fale o polaryzacji poziomej, które zostaną przezeń przepuszczone. Pole widzenia nie będzie już tym razem ciemne. Jeśli użyjemy światła białego, może wystąpić efektowne zabarwienie.

A więc ośrodek dwójłomny, oświetlony światłem spolaryzowanym i oglądany przez analizator, może swoim odmiennym zabarwieniem lub rozjaśnieniem zdradzić fakt polaryzacji pierwotnego światła. Dzięki wspomnianej polaryzacji przy odbiciu, rolę źródła światła spolaryzowanego, a także analizatora może odgrywać odpowiednio ustawiona szyba szklana.(...)

Światło zwykłe przechodzi przez mętny ośrodek rozpraszający. W świetle rozproszonym przeważa polaryzacja, w której pole elektryczne jest prostopadłe do płaszczyzny zawierającej promienie padający i rozproszony. Efekt ten jest najsilniejszy przy - przedstawionym na rysunku - rozproszeniu pod kątem prostym. Częściową polaryzację symbolizuje różnica długości kresek wyznaczających kierunki prostopadłych składowych pola elektrycznego

Fotografia świec (obok) jest przykładem praktycznej realizacji tego pomysłu. Dwie świece - wyższa i niższa - odbijają się w szklanej oprawie obrazka i w szybie leżącej na stole. Widoczne są więc dwa obrazy powstałe po jednokrotnym odbiciu, każdy zawierający płomienie obu świec. Oprócz tego obraz może powstać po odbiciu dwukrotnym, to jest wtedy, gdy światło odbite od poziomego szkła odbija się ponownie od pochylonej szyby i dopiero wtedy trafia do obiektywu aparatu (lub do oka). Przy lewym skraju zdjęcia widać tak właśnie utworzony obraz płomienia wyższej świecy. Odbicie płomienia niższej świecy nie pojawiło się jednak. Przyczyna tego faktu jest następująca: światło wysyłane przez niższą świecę, które spełniwszy prawo odbicia powinno dotrzeć do obserwatora, padło na poziomą szybę pod kątem Brewstera (około 57^o). Światło odbite było więc całkowicie spolaryzowane. Szyba obrazka na którą padło ono w dalszej drodze, została tak ustawiona, aby kąt padania na nią był znowu kątem Brewstera i aby płaszczyzna zawierająca wektor pola elektrycznego padającej fali była do szyby prostopadła. W tej sytuacji fala ta nie mogła się odbić. Płomienia niskiej świecy nie ma więc na zdjęciu. Płomień wyższej świecy jest widoczny, ponieważ wysyłane przezeń światło w swej drodze do obiektywu odbijało się pod kątami różnymi od kąta Brewstera i - nie będąc całkowicie spolaryzowane - nie zostało wygaszone (choć jest nieco osłabione).

Zdjęcie z prawej ujawnia częściową polaryzację światła rozproszonego. Ośrodkiem rozpraszającym światło zwykłej żarówki jest naturalnie mętny sok. Do wykrycia polaryzacji użyłem plastikowego pudełka od kasety magnetofonowej. Umieściłem je tak, aby światło rozproszone przeszło przez plastik i odbiło się od pionowej szyby. Mamy więc tu ośrodek dwójłomny, który oświetlony został światłem częściowo spolaryzowanym i oglądany jest przez analizator. Dlatego właśnie widoczne są na odbiciu pudełka kolorowe smugi.

Podobne barwne efekty dadzą się zauważyć przy użyciu innych plastikowych przedmiotów, choć pudełko od kasety jest tu niezwykle wygodnym przyrządem. Często nie potrzeba szyby, jak to pokazuje zdjęcie po lewej. W pudełkach rozłożonych na stoliku odbija się błękitne niebo. Jest ono źródłem światła częściowo spolaryzowanego. Światło to przechodzi przez warstwę plastiku i odbija się od jej spodniej powierzchni pod kątem zbliżonym do kąta Brewstera. W ten sposób plastikowa warstwa znajduje się w takiej samej sytuacji jak na poprzednim zdjęciu i daje kolorowe smugi tej samej natury. Zdjęcie umieszczone z prawej przedstawia inną wersję tego efektu w postaci plam na szybie samochodowej. W procesie produkcji szyby powstały w niej obszary naprężeń sprawiające, że szkło stało się w niektórych miejscach dwójłomne.

Na lewym rysunku światło spolaryzowane przez pierwszy polaroid nie przechodzi przez drugi, ponieważ jego kierunek przepuszczania, zaznaczony podwójną strzałką, jest prostopadły. Jednak jeśli między takie skrzyżowane polaryzatory wstawić warstwę ośrodka dwójłomnego (rysunek z prawej), to nieco światła przedostaje się przez drugi polaroid. W materiale dwójłomnym (np. w krysztale) składowe pola elektrycznego równoległe i prostopadłe do osi optycznej (zaznaczonej żółtą linią) rozchodzą się z różnymi prędkościami. Dlatego koniec wektora wypadkowego pola elektrycznego wyznacza nie sinusoidę, lecz linię śrubową. Taki stan, określany jako polaryzacja eliptyczna, ma miejsce także po wyjściu z kryształu. W fali takiej obecne są poziome składowe pola elektrycznego, które mogą być przepuszczone przez drugi polaroid. Dla różnych długości fal efekt ten występuje w różnym stopniu, co zmienia udział poszczególnych barw w świetle wychodzącym. W ten sposób może pojawić się zabarwienie, nawet gdy światło padające jest białe

Odbicie i rozproszenie są wszechobecne. Tak więc również powszechna jest częściowa polaryzacja światła. Można poszukiwać innych sytuacji, podobnych do opisanych, które są przejawem tego zjawiska.

Zdjęcia: archiwum autora

Dr hab. GRZEGORZ DERFEL jest adiunktem w Instytucie Fizyki Politechniki Łódzkiej.

---