استقطاب الضوء: التعريف ، الانعكاس ، الانكسار والتشتت

قد ترتدي زوجًا من النظارات الشمسية المستقطبة ، لكن ماذا يعني هذا؟ كيف تختلف عن الأنواع الأخرى من النظارات الشمسية ، ولماذا هي مفيدة؟ يشير الاستقطاب ، من حيث الضوء ، إلى عملية توجيه موجات الضوء أو ترشيحها في اتجاه واحد ، مما يؤثر على ما يمكنك رؤيته.

الموجة الكهرومغناطيسية هي موجة عرضية تتكون من موجة مجال كهربائي تتأرجح في مستوى عمودي (بزاوية قائمة) على موجة المجال المغناطيسي ، وكلاهما عمودي على اتجاه اقتراح.

نظرًا لأن الإشعاع الكهرومغناطيسي يعمل كموجة ، فإن أي موجة كهرومغناطيسية معينة أو موجة ضوئية سيكون لها تردد وطول موجي مرتبط بها. حاصل ضرب الطول الموجي والتردد هو سرعة الموجة.

ومع ذلك ، لا تتطلب الموجات الكهرومغناطيسية وسيطًا تنتشر من خلاله ، وبالتالي يمكن اجتياز فراغ الفضاء الفارغ (وهو ما يفعلونه بسرعة الضوء - أسرع سرعة في كون).

تأتي الموجات الكهرومغناطيسية في العديد من الأنواع ، بما في ذلك موجات الراديو ، والميكروويف ، والأشعة تحت الحمراء ، والضوء المرئي ، والأشعة فوق البنفسجية ، والأشعة السينية ، وأشعة جاما.

بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن الموجة الكهرومغناطيسية مستعرضة مع اتساع عمودي على اتجاه الحركة ، يمكن استقطابها - هناك العديد من المستويات المحتملة المتعامدة مع اتجاه الحركة ، ولكن الموجة المستقطبة سيكون لها اتساع عرضي في واحد فقط من معهم. الموجات الطولية مثل الموجات الصوتية لها إزاحة فقط في اتجاه الحركة ، وبالتالي لا يمكن استقطابها.

موجات الضوء غير المستقطبة لها اتجاهات متعددة متراكبة. تحتوي الموجات الضوئية على مجالات كهربائية ومغناطيسية ، دائمًا في زوايا قائمة مع بعضها البعض - وفقًا للاتفاقية ، يتم تحديد الاستقطاب من خلال اتجاه المجال الكهربائي. بالنظر إلى الأمام ، قد نرى متجهات المجال الكهربائي تشير في جميع الاتجاهات المختلفة.

عندما يمر الضوء من خلال مستقطب أو مرشح مستقطب ، فإن المرشح يسمح فقط لجزء من الضوء مع خطوط مجال كهربائي موجهة موازية للمرشح بالمرور. نتيجة لذلك ، يصبح الضوء مستقطبًا - وكله موجه في نفس الاتجاه. هذا هو الاستقطاب الخطي.

الضوء القادم من المصابيح الكهربائية أو الشمس غير مستقطبة. المصادر الأكثر شيوعًا للضوء المستقطب هي الليزر. إذا تم وضع مرشحين مستقطبين بزاوية قائمة على بعضهما البعض أمام مصدر الضوء الساقط ، فسيتم حظر كل الضوء. إذا كانت الزاوية أصغر (45 درجة ، على سبيل المثال) يتم حظر بعض الضوء فقط.

تأتي المستقطبات الضوئية في ثلاثة أنواع: عاكس ، مزدوج اللون وثنائي اللون. تسمح المستقطبات العاكسة بمرور استقطاب معين للضوء فقط ، بينما تعكس الباقي ؛ تقوم المستقطبات ثنائية اللون بالعكس ، حيث تمنع فقط استقطابًا معينًا للضوء بينما تسمح لكل الآخرين بالمرور. في حالة الانكسار ، تنكسر الاستقطابات المختلفة للضوء في زوايا مختلفة ، مما يسمح باختيار استقطابات مختلفة للضوء اعتمادًا على الاستقطاب المطلوب.

استقطاب الضوء هو طريقة عرض الأفلام ثلاثية الأبعاد. تحتوي النظارات ثلاثية الأبعاد الممنوحة لرواد الأفلام على فلاتر استقطاب معاكسة في كل عدسة ؛ مرشح أفقي في اليسار وفلتر عمودي في اليمين ، على سبيل المثال. يُعرض الفيلم بعد ذلك على نفس الشاشة من جهازي عرض مختلفين ، أحدهما يُسقط ضوءًا مستقطبًا رأسيًا والآخر يُسقط ضوءًا مستقطبًا أفقيًا. ثم ترى العين اليسرى صورة مختلفة قليلاً عن العين اليمنى ، ويجمع الدماغ بين الصور لخلق تصور للعمق.

عندما يسقط شعاع ضوئي على سطح مادة ما ، ينعكس بعض الضوء وينكسر بعضه (ينتقل عبر المادة). تسمى زاوية الضوء الساقط المطلوبة للضوء المنعكس والضوء المنكسر بزاوية قائمة صحيحة بزاوية بروستر.

عندما تكون زاوية السقوط مساوية لزاوية بريوستر (يعتمد ذلك على تركيبات الوسطاء على أي منهما جانب السطح) ، والضوء الساقط غير مستقطب ، سيؤدي إلى استقطاب خطي للانعكاس ضوء. إذا كان للضوء الساقط استقطاب محدد ، خاص بالمادة ، فسوف ينكسر فقط بدون أي ضوء منعكس على الإطلاق.

لماذا يحدث هذا؟ عندما يتم امتصاص الضوء الساقط مؤقتًا بواسطة الذرات الموجودة على سطح المادة ، تتذبذب الإلكترونات الموجودة في ذرات المادة. لأن موجات الضوء مستعرضة ، يجب أن يكون الاستقطاب عموديًا على اتجاه حركة الموجة. لذا إذا كان استقطاب الموجة الساقطة في الاتجاه الذي ينبغي أن تكون عليه الموجة المنعكسة ، فلا يمكن أن توجد الموجة المنعكسة.

إذا كان الضوء الساقط غير مستقطب ، فسيكون الضوء المنعكس مستقطبًا أفقيًا ، موازيًا للسطح العاكس. ويسمى هذا الضوء المستقطب s. يسمى الضوء مع الاستقطاب في مستوى السقوط ، أو المستوى المتكون من اتجاه حركة الضوء الساقط والمتجه العمودي على السطح ، بـ p-polarized.

تستخدم النظارات الشمسية المستقطبة مفهوم زاوية بروستر لتقليل انعكاس ضوء الشمس عن الأسطح الأفقية. عندما تكون الشمس منخفضة في السماء ، يكون هناك الكثير من الضوء المستقطب على شكل حرف s في الوهج المنعكس عن الأسطح مثل المياه والطرق. تحجب النظارات الشمسية المستقطبة الضوء الذي يحتوي على هذا الاستقطاب ، مما يقلل الوهج.

يؤدي تشتت الضوء الساقط من جزيئات الهواء إلى استقطاب الضوء خطيًا بشكل عمودي على مستوى السقوط. تحمل جزيئات الهواء ذبذباتها الصغيرة في اتجاه واحد ، والمعروفة باسم العزم ثنائي القطب ، وتشع الطاقة بشكل عمودي على خط هذا التذبذب. لذلك إذا تأرجحت العزم ثنائي القطب للجزيء ذهابًا وإيابًا على ذ-المحور ، سوف ينتشر الضوء غير المستقطب الساقط منه في x-الاتجاه المستقطب في ذ-الاتجاه (بالتوازي مع ثنائي القطب).

إذا كان الطول الموجي للضوء الساقط مشابهًا لحجم الجزيئات ، فإن هذا يسمى تشتت رايلي. نثر رايلي هو المسؤول عن لون السماء ، سواء كانت زرقاء عميقة ليوم جميل أو حمراء عميقة لغروب الشمس ؛ تتغير الألوان تبعًا لزاوية سقوط ضوء الشمس على الغلاف الجوي.

يمكن أن يحدث الاستقطاب أيضًا عن طريق الانكسار أو الانحناء للضوء أثناء مروره من وسط إلى آخر. في أغلب الأحيان ، يحدث الاستقطاب عموديًا على السطح.

عندما يعتمد معامل الانكسار للمادة على اتجاه الحادث واستقطاب الضوء ، فإنه يطلق عليه الانكسار. في المواد ثنائية الانكسار ، ينقسم شعاع الضوء الساقط عن طريق الاستقطاب إلى شعاعين داخل المادة ، يسلكان مسارات مختلفة قليلاً.

يشك بعض العلماء في أن الفايكنج قد استخدموا نوعًا من البلورات مزدوج الانكسار يسمى "الكالسيت" المساعدة الملاحية ، حيث يمكن استخدام خصائصها الاستقطابية الانكسارية لتحديد موقع الشمس في يوم غائم ، أو حتى أسفل الأفق.

الاستقطاب الدائري هو حالة استقطاب يدور فيها اتجاه المجال الكهربائي بشكل دائري مع مرور الوقت بمعدل ثابت في مستوى عمودي على اتجاه الانتشار. يمكن تخيل هذا على أنه متجه المجال الكهربائي يرسم اللولب حول محور الانتشار أثناء انتشار الموجة. (من الممكن أيضًا الاستقطاب الإهليلجي ، حيث يتم سحق اللولب قليلاً في بُعد واحد).

إذا ، أثناء النظر في اتجاه مصدر الضوء ، يبدو أن متجه المجال الكهربائي يدور عكس اتجاه عقارب الساعة ، يسمى الضوء مستقطب دائريًا يمينًا. إذا بدا أن المتجه يدور في اتجاه عقارب الساعة ، فإن الضوء يسمى مستقطب دائري يسار.

يتم إنشاء الاستقطاب الدائري بواسطة موجتين ضوئيتين مستقطبتين خطيًا ، مستقطبة متعامدة مع بعضها البعض ، وكل منهما تنتشر بمقدار 90 درجة خارج الطور. يحدث الاستقطاب الإهليلجي عندما يكون لإحدى هذه الموجات الضوئية سعة أصغر من الأخرى ، مما ينتج عنه شكل بيضاوي بدلاً من دائرة.