Поляризация на светлината: определение, отражение, пречупване и разсейване

Може да носите чифт поляризирани слънчеви очила, но какво означава това? По какво се различават от другите видове слънчеви очила и защо са полезни? Поляризацията, по отношение на светлината, се отнася до процеса на ориентиране или филтриране на светлинните вълни в една посока, което влияе върху това, което можете да видите.

Електромагнитната вълна е напречна вълна, състояща се от вълна от електрическо поле, трептяща в равнина перпендикулярна (под прав ъгъл) на вълна от магнитно поле, и двете от които са перпендикулярни на посоката на движение.

Тъй като електромагнитното лъчение действа като вълна, тогава всяка конкретна електромагнитна вълна или светлинна вълна ще има честота и дължина на вълната, свързани с тях. Продуктът на дължината на вълната и честотата е скоростта на вълната.

Въпреки това, електромагнитните вълни не изискват среда, през която да се разпространяват, а оттам и могат прекосяват вакуума на празното пространство (което правят със скоростта на светлината - най-бързата скорост в вселена).

Електромагнитните вълни се предлагат в много разновидности, включително радиовълни, микровълни, инфрачервено лъчение, видима светлина, ултравиолетово лъчение, рентгенови лъчи и гама лъчи.

Освен това, тъй като електромагнитната вълна е напречна с амплитуда, перпендикулярна на посоката на движение, тя може да бъде поляризирана - има много възможни равнини, перпендикулярни на посоката на движение, но поляризирана вълна ще има напречна амплитуда само в една от тях. Надлъжните вълни като звуковите вълни имат само изместване по посока на движението и следователно не могат да бъдат поляризирани.

Неполяризираните светлинни вълни имат множество насложени ориентации. Светлинните вълни имат както електрическо, така и магнитно поле, винаги под прав ъгъл един към друг - по правило поляризацията се определя от посоката на електрическото поле. Гледайки главата напред, може да видим векторите на електрическото поле, насочени във всички различни посоки.

Когато светлината преминава през поляризатор или поляризиращ филтър, филтърът пропуска само частта от светлината с линии на електрическо поле, ориентирани успоредно на филтъра. В резултат на това светлината става поляризирана - цялата е ориентирана в една и съща посока. Това е линейна поляризация.

Светлината, идваща от крушки или слънцето не е поляризирана. Най-често срещаните източници на поляризирана светлина са лазерите. Ако два поляризационни филтъра се държат под прав ъгъл един към друг пред падащ светлинен източник, цялата светлина ще бъде блокирана. Ако ъгълът е по-малък (например 45 градуса), само част от светлината е блокирана.

Светлинните поляризатори се предлагат в три вида: отразяващи, дихроични и двулучепреломляващи. Отразяващите поляризатори позволяват само определена поляризация на светлината да премине, докато отразяват останалата част; дихроичните поляризатори правят обратното, като само блокират определена поляризация на светлината, като същевременно позволяват на всички останали да преминат. При двойно пречупване различните поляризации на светлината ще се пречупват под различни ъгли, позволявайки да се избират различни поляризации на светлината в зависимост от желаната поляризация.

Поляризацията на светлината е начина, по който филмите се прожектират в 3D. 3D очилата, дадени на зрителите, всъщност имат противоположни поляризиращи филтри във всяка леща; хоризонтален филтър вляво и вертикален филтър вдясно, например. След това филмът се прожектира на един и същ екран от два различни проектора, един прожектиращ светлина поляризирана вертикално и една прожектираща светлина поляризирана хоризонтално. След това лявото око вижда малко по-различно изображение от дясното, а мозъкът комбинира изображенията, за да създаде усещане за дълбочина.

Когато светлинен лъч пада върху повърхността на материал, част от светлината се отразява, а част от нея се пречупва (тя преминава през материала). Ъгълът на падащата светлина, необходим за отразената светлина и пречупената светлина да бъдат точно под прав ъгъл, се нарича ъгъл на Брустър.

Когато ъгълът на падане е равен на ъгъла на Брустър (в зависимост от състава на средата и на двете страна на повърхността), а падащата светлина е неполяризирана, това ще доведе до линейна поляризация на отразеното светлина. Ако падащата светлина има специфична поляризация, специфична за материала, тя ще бъде пречупена само без никаква отразена светлина.

Защо се случва това? Когато падащата светлина временно се абсорбира от атомите на повърхността на материала, електроните в атомите на материала трептят. Тъй като светлинните вълни са напречни, поляризацията трябва да бъде перпендикулярна на посоката на движение на вълната. Така че, ако поляризацията на падащата вълна е в посоката, в която трябва да бъде отразената вълна, отразената вълна не може да съществува.

Ако падащата светлина е неполяризирана, отразената светлина ще бъде поляризирана хоризонтално, успоредно на отразяващата повърхност. Това се нарича s-поляризирана светлина. Светлината с поляризация в равнината на падане или равнината, образувана от посоката на движение на падащата светлина и вектор, перпендикулярен на повърхността, се нарича p-поляризирана.

Поляризираните слънчеви очила използват концепцията за ъгъла на Брустър, за да намалят отражението на слънчевата светлина от хоризонталните повърхности. Когато слънцето е ниско в небето, има много s-поляризирана светлина в отразените отблясъци на повърхности като вода и пътища. Поляризираните слънчеви очила блокират светлината с тази поляризация, намалявайки отблясъците.

Разсейването на падащата светлина от молекулите на въздуха води до линейна поляризация, перпендикулярна на равнината на падане. Въздушните молекули носят собствено малко трептене в една посока, известно като диполен момент, и излъчват енергия, перпендикулярна на линията на това трептене. Така че, ако диполният момент на молекулата се колебае напред-назад по у-ос, падаща неполяризирана светлина ще се разпръсне от нея в х-посока, поляризирана в у-насочване (успоредно на дипола).

Ако дължината на вълната на падащата светлина е сравнима с размера на молекулите, това се нарича релеево разсейване. Релейното разсейване е отговорно за цвета на небето, независимо дали е наситено синьо на красив ден или наситено червено на залез; цветовете се променят в зависимост от ъгъла на падане на слънчевата светлина върху атмосферата.

Поляризацията може да възникне и чрез пречупване или огъване на светлината, когато тя преминава от една среда в друга. Най-често поляризацията се извършва перпендикулярно на повърхността.

Когато индексът на пречупване на материала зависи от посоката на падане и поляризацията на светлината, той се нарича двулучепречупващ. При двулучепречупващи материали падащ лъч светлина се разделя чрез поляризация на два лъча вътре в материала, които поемат малко по-различни пътища.

Някои учени подозират, че двукристален кристал, наречен "калцит", може да е бил използван от викингите като навигационна помощ, тъй като неговите пречупващи поляризиращи свойства могат да бъдат използвани за локализиране на слънцето в облачен ден или дори под хоризонт.

Кръговата поляризация е поляризационно състояние, при което посоката на електрическото поле се върти кръгово с времето със стабилна скорост в равнина, перпендикулярна на посоката на разпространение. Това може да си представим като вектор на електрическото поле, който очертава спирала около оста на разпространение, докато вълната се разпространява. (Възможна е и елиптична поляризация, при която спиралата е леко смачкана в едно измерение.)

Ако, докато гледа в посока на източника на светлина, векторът на електрическото поле изглежда се върти обратно на часовниковата стрелка, светлината се нарича дясно-кръгово поляризирана. Ако изглежда, че векторът се върти по посока на часовниковата стрелка, светлината се нарича ляво-кръгово поляризирана.

Кръговата поляризация се създава от две линейно поляризирани светлинни вълни, поляризирани перпендикулярно една на друга и всяка разпространяваща се на 90 градуса извън фазата. Елиптичната поляризация е, когато една от тези светлинни вълни има по-малка амплитуда от другата, създавайки по-скоро елипса, отколкото кръг.