Polaryzacja światła

Zjawiska dyfrakcji i interferencji światła świadczą o falowej naturze światła. Na podstawie tych zjawisk nie możemy jednak stwierdzić, czy fale świetlne są falami poprzecznym czy podłużnymi. Odpowiedzi na to pytanie dostarcza nam doświadczenie polaryzacji światła odkryte w roku 1808 przez E. Malusa, a opracowane teoretycznie w roku 1820 przez A. Fresnela.

Słońce lub żarówka, emituje wiele promieni świetlnych. Każdy promień składa się z drgających pól, elektrycznego i magnetycznego. W zwykłym świetle drgania te zachodzą we wszystkich kierunkach. W świetle spolaryzowanym wszystkie promienie drgają w jednej płaszczyźnie. Polaryzację światła można uzyskać przepuszczając światło przez polaryzujący materiał. Przepuszcza on tylko promienie drgające w określonej płaszczyźnie. Odbite światło od gładkiej powierzchni jest częściowo spolaryzowane. Polaryzujące okulary przeciwsłoneczne są zrobione z materiału polaryzującego, co pozwala wyeliminować światło spolaryzowane, a zatem również połyskujące refleksy.

Polaryzacja to własność fali poprzecznej (np. światło). Fala spolaryzowana oscyluje tylko w pewnym wybranym kierunku. Fala niespolaryzowana oscyluje we wszystkich kierunkach jednakowo. Fala niespolaryzowana może być traktowana jako złożenie wielu fal drgających w różnych kierunkach. W naturze większość źródeł promieniowania elektromagnetycznego wytwarza fale niespolaryzowane. Polaryzacja występuje tylko dla fal rozchodzących się w trójwymiarowej przestrzeni, czyli nie odnosi się ona do np. fal morskich. Fale dźwiękowe również nie podlegają zjawisku polaryzacji, bo są falami podłużnymi.

Rodzaje polaryzacji

Umieszczone tutaj ilustracje przedstawiają zmiany wektora pola elektrycznego (niebieski) w czasie oraz jego składowych rzutowanych na dwie prostopadłe osie (czerwony/lewy oraz zielony/prawy) ustawione pod kątem prostym do płaszczyźnie czoła fali. Ilustracje te przedstawiają trzy rodzaje polaryzacji:

Liniowa

Kołowa

Eliptyczna

Przypadek po lewej jest szczególny, ponieważ dwie składowe wektora pola elektrycznego opisują funkcje sinusoidalne o fazach przesuniętych o 180°. W tym przypadku wektor pola elektrycznego zawsze znajduje się w pewnej płaszczyźnie nazywanej płaszczyzną polaryzacji. Jeżeli funkcje opisujące długość obu składowych wektora mają różnice faz równą 0° lub 180°, to fala ma polaryzację liniową. Kierunek polaryzacji zależy od stosunku amplitud funkcji opisujących składowe oraz tego, czy różnica faz wynosi 180° czy 0°.

Przypadek środkowy też jest szczególny. Sinusoidy opisujące prostopadłe składowe wektora są przesunięte dokładnie o 90°, a ich amplitudy są takie same. W efekcie wektor pola elektrycznego zatacza okręgi. Jest to polaryzacja kołowa. W zależności do tego, czy fazy są przesunięte o 90° czy 270°, mówimy o polaryzacji kołowej prawoskrętnej lub polaryzacji kołowej lewoskrętnej. Wynika to z faktu, że wektor może się obracać albo w lewo albo w prawo.

Przypadek po prawej jest najbardziej ogólny. Różnica faz nie jest równa wielokrotności 90°. Koniec wektora pola elektrycznego zatacza elipsy. W takiej sytuacji mówi się o polaryzacji eliptycznej. Efekt jest podobny jak dla złożenia na oscyloskopie dwóch fal sinusoidalnych (jedna na osi X, druga na Y) o różnych fazach oraz amplitudach, w wyniku czego powstają figury Lissajous

Polaryzacja światła

Polaryzacja światła

Światło to fala elektromagnetyczna, która polega na rozchodzeniu się zmian pola elektrycznego i magnetycznego. Wektory tych pól są prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się. Jest to więc fala poprzeczna. Do określania ogientacji fali elektromagnetycznej bierzę się kierunek drgań pola elektrycznego. Nazywany jest on kierunkiem polaryzacji. Jeżeli drgania pola elektrycznego są w jednym kierunku to taką falę nazywamy spolaryzowaną liniowo (światło może być jeszcze spolaryzowane kołowo lub eliptycznie), jeśli drgania są w różnych kierunkach to niespolaryzowaną. Urządzenia służące do polaryzacji światła nazywamy polaryzatorami. Wykorzystują one jeden z trzech podstawowych sposobów polaryzacji światła.

Folia polaryzacyjna wydawnictwa ZamKor

Najpopularniejszymi polaryzatorami są używane przez fotografów polaroidy, specjalnie w tym celu wykonane płytki z polimerów. Pod dobrym mikroskopem można zobaczyć, że polaroid zbudowany jest z długich włókien tworzących szczeliny, przez które może przecisnąć się tylko światło o odpowiednim kierunku drgań. polaryzator przepuszcza tylko te fale, które mają kierunek drgań pola elektromagnetycznego zbliżony do kierunku wyznaczanego przez szczeliny polaryzatora, pozostałe fale są zatrzymywane.
Naturalnymi polaryzatorami występującymi w przyrodzie są tak zwane kryształy dwójłomne, np. kalcyt (szpat islandzki), turmalin lub mika. Promień światła padający na taki kryształ

Przejście światła przy przejściu przez kryształy dwujłomne

ulega podwójnemu załamaniu i rozdziela się na dwa promienie, załamujące się pod różnymi kątami zwane promieniem zwyczajnym i nadzwyczajnym. Obydwa te promienie są spolaryzowane, ale w płaszczyznach do siebie prostopadłych. Własności kryształów dwujłomnych spowodowane są anizotropią, czyli mają różne właściwości w zależności od kierunku padania światła. W praktyce stosuje się układy pryzmatów wykonanych z materiałów dwujłonych, które albo rozdzielają wiązkę zwyczajna i nadzwyczjaną (pryzmaty polaryzujące dwuwiązkowe) lub wydzielają jeden ze spolaryzowanych promieni (pryzmaty jednowiązkowe).

Polaryzacja światła przez odbicie pod kątem Brewstera

W niektórych kryształach dwujłonych jeden z promieni (zwyczajny lub nadzwyczajny) jest silniej absorbowany w krysztale. Tkie kryształy zastosowano jako polaryzatory, na przykład turmalin o grubości 1 milimetr pochłąnia praktycznie w całości promień zwyczajny.
Światło ulega także polaryzacji (na ogół częściowej) przy odbiciu od powierzchni przezroczystych izolatorów, na przykład szkła lub wody. Całkowita polaryzacja światła odbitego zachodzi dla określonego kąta padania, zwanego kątem Brewstera. Jest to taki kąt padania, przy którym promień załamany tworzy z promieniem odbitym kąt 90°. Można wykazać, że tangens kąta Brewstera jest równy współczynnikowi załamania materiału substanci odbijającej. Dla szkła kąt ten wynosi około 55°. Przy całkowitej polaryzacji w świetle odbitym drgania pola elektrycznego odbywają się w płaszczyźnie prostopadłej do rysunku. Promień załamany jest również częściowo spolaryzowany, ale nigdy całkowicie.
Polaryzatory liniowe przepuszczają światło o kierunku drgań pola elektrycznego tylko w jednym kierunku. Jeśli światło spolaryzowane pada na drugi polaryzator o innym kierunku

Przejście światła spolaryzowanego przez polaryzator, który pełni rolę analizatora

polaryzacji, to część energii niesiona przez falę zostaje pochłonięta w materiale tego polaryzatora, a fala przechodząca jest spolaryzowana zgodnie z jego kierunkiem polaryzacji. Drugi polaryzator może więc zmienić kierunek polaryzacji światła, które nań pada. Jeżeli płaszczyzny polaryzacji są takie same, to efekt jest taki jak dla jednego polaryzatora. Drugi polaryzator więc może odgrywać rolę analizatora. Obracając go, możemy sprawdzić, czy padające na niego światło było spolaryzowane i w jakiej płaszczyźnie (światło przechodzi lub zostaje pochłonięte). Jeżeli analizator zostanie ustawiony prostopadle do polaryzatora to światło dalej nie przejdzie. Ilość światła, które przechodzi przez analizator ustawiony pod dowolnym kątem do polaryzatora, podaje prawo Malusa, którego tutaj nie omawiamy.

Światło laserowe jest spolaryzowane

Naturalne światło pochodzące ze Słońca, żarówki lub świetlówki nie jest spolaryzowane. Polazyzację otrzymujemy po odbiciu światła od szyby, tafli wody lub mokrej jezdni. Również światło rozproszone przez chmury jest częściowo spolaryzowane. Płaszczyzna liniowej polaryzacji światła rozproszonego przez atmosferę (niebo) jest prostopadła do kierunku, z którego świeci Słońce. Światło wysyłane przez laser jest całkowicie spolaryzowane, co widać podczas obrotu polaryzatora.
Oko człowieka nie potrafi odróżnić czy światło jest spolaryzowane czy też nie. Jest to nam niepotrzebne.
Spolaryzować można każdą falę poprzeczną, na przykład falę na sznurze. Fali podłużnej, czyli takiej dla której drgania są równoległe do kierunku rozchodzneia się spolaryzować się nie da. Nie można więc spolaryzować fali dźwiękowej w powietrzu bo jest to fala podłużna.

---