Polaryzacja światła

Co to jest polaryzacja?

Fala spolaryzowana to taka fala, której drgania rozchodzą się w ściśle określony sposób.

Fala niespolaryzowana to taka, której drgania rozchodzą się w "dowolnych", "przypadkowych" kierunkach. Falę niespolaryzowaną możemy sobie wyobrazić jako złożenie dowolnie wielu fal spolaryzowanych, obróconych względem siebie w pewnym stopniu.

To światło niespolaryzowane otacza nas na co dzień, światło spolaryzowane jest zdecydowanie rzadsze, a na dodatek ludzkie oko nie potrafi go odróżnić od niespolaryzowanego.

Polaryzacja to przekształcenie fali niespolaryzowanej w falę spolaryzowaną.



Ilustracja polaryzacji na przykładzie polaryzatora siatkowego.



Zazwyczaj wykorzystujemy jedynie najprostsze modele polaryzacji:


Na maturze obowiązuje jedynie polaryzacja liniowa.

Drgania fali spolaryzowanej liniowo leżą zawsze w jednej płaszczyźnie.



Drgania fali świetlnej i polaryzacja

Światło jest falą elektromagnetyczną, więc szczegóły jego opis musi zawierać również opis składowych tej fali (elektrycznej i magnetycznej), a nie tylko informacje o wyglądzie fali wypadkowej.

Dla płaskiej fali świetlnej składowe te usytuowane są w prostopadłych do siebie płaszczyznach.

Jeżeli do opisu tych składowych użyjemy wektora pole elektrycznego i wektora pola magnetycznego, to będziemy mogli powiedzieć, że:

W fali spolaryzowanej liniowo drgania wektora pola elektrycznego i wektora pola magnetycznego leżą w płaszczyznach, które są do siebie prostopadłe.

Ilustruje to poniższy rysunek:





Polaryzator

Polaryzator to urządzenie bądź materiał, który umożliwia polaryzację fali elektromagnetycznej.
Polaryzatory mogą mieć różną budowę, w zakresie licealnym rozróżniamy:

- Polaryzator siatkowy

Polaryzator ten zbudowany jest z siatki równoległych cieniutkich metalowych drucików, umieszczonych prostopadle do padającej wiązki.


Pokaż jak działa polaryzator siatkowy

Fale elektromagnetyczne składają się z wzajemnie indukujących się pól: elektrycznego i magnetycznego. Kiedy składowa elektryczna fali natrafi na metalowy drucik wówczas wzbudza w nim przepływ elektronów wzdłuż tegoż drutu.

Pole elektryczne (składowa elektryczna fali) może być ułożone pod kątem prostym do drucików lub dowolnym innym:

1. Jeżeli pole elektryczne będzie ułożone nie prostopadle do drucików, elektrony będą mogły poruszać się wewnątrz napotkanego drutu. Wówczas polaryzator będzie się zachowywał podobnie jak powierzchnia metalu odbijająca światło. Fala zostanie odbita w tym samym kierunku, z którego przyszła.

2. Jeżeli pole elektryczne będzie ułożone prostopadłe do drucików, elektrony nie będą mogły poruszać się w poprzek drutu dalej niż wynosi jego szerokość, a jak zastrzegliśmy na początku druciki są bardzo cienkie. Oznacza to, że tylko mała część energii fali zostanie odbita na zasadzie takiej, jak metal odbija światło, a reszta fali swobodnie przejdzie przez siatkę.

Wniosek: przez siatkę przejdą jedynie te fale, których składowa elektryczna będzie prostopadła do drucików umieszczonych w polaryzatorze. Fale te będą więc spolaryzowane liniowo.



Przypuszczenie, że fale mogą "przemknąć" pomiędzy przewodami jest błędne, ponieważ jak opisaliśmy wyżej, każda fala ułożona nie prostopadle do drucików wywoła istotny ruch elektronów w drucikach, co z kolei spowoduje odbicie fali na takiej samej zasadzie, na jakiej każdy metal odbija światło.

W praktyce, odstęp między przewodami musi być mniejszy niż długość fali promieniowania, a szerokość drutu powinna być niewiele większa od tego dystansu. Polaryzatory te używane są więc głównie do polaryzacji mikrofal i podczerwieni, możliwe jest już jednak skonstruowanie polaryzatora siatkowego polaryzującego światło widzialne.


- Polaryzatory absorpcyjne i polaroidy

Polaryzator absorpcyjny to polaryzator wykorzystujący selektywne pochłanianie światła. Takimi polaryzatorami są występujące w przyrodzie kryształy (np. turmalin) oraz sztuczne polaroidy.

Polaroid* działa podobnie jak polaryzator siatkowy, ale w skali atomowej. Wykonany jest zazwyczaj z folii z tworzywa sztucznego.

Pokaż jak działa polaroid

Rozciąganie folii podczas procesu produkcyjnego powoduje, że łańcuchy polimerowe układają się w jednym szczególnym kierunku. Elektrony walencyjne domieszki jodu są w stanie poruszać się liniowo wzdłuż łańcuchów polimeru, ale nie poprzecznie do nich. To uwarunkowanie powoduje, że światło spolaryzowane równolegle do linii jest absorbowana przez tworzywo, a światło o polaryzacji prostopadłej do sieci jest transmitowane.


Polaroidy wykorzystywane są np. w okularach słonecznych, wyświetlaczach ciekłokrystalicznych i filtrach fotograficznych.


- Polaryzator odbiciowy

Polaryzator odbiciowy wykorzystuje efekt polaryzacyjny, do którego dochodzi podczas odbicia światła pod kątem Brewstera (patrz niżej). Aby wzmocnić ten efekt zazwyczaj polaryzator odbiciowy zbudowany jest z kilku płytek ustawionych pod kątem Brewstera.


Kąt Brewstera

Kąt Brewstera to taki kąt, padania światła na powierzchnię ośrodka, którego odbity promień jest całkowicie spolaryzowany.



Możemy go obliczyć dla danego materiału korzystając z zależności:

`n = tg alpha`


gdzie
n to współczynnik załamania obiektu na który pada światło,
`alpha` to kąt pod jakim pada światło.


W przyrodzie

Polaryzacja zachodzi w przyrodzie w kilku przypadkach:
- po przejściu światła przez niektóre kryształy (kalcyt, turmalin)
- po przejściu przez roztwór cukru


Ciekawostki:

* Obecnie nazwa polaroid jest znakiem towarowym firmy Polaroid Corporation, prawdopodobnie niedługo polaryzatory tego typu otrzymają nową, uniwersalną nazwę.