Valon polarisaatio: Määritelmä, heijastus, taittuminen ja sironta

Saatat käyttää paria polarisoituja aurinkolaseja, mutta mitä tämä tarkoittaa? Kuinka ne eroavat muista aurinkolaseista ja miksi ne ovat hyödyllisiä? Polarisaatio tarkoittaa valon suhteen valoaaltojen suuntaamista tai suodattamista yhteen suuntaan, mikä vaikuttaa siihen, mitä näet.

Sähkömagneettinen aalto on poikittainen aalto, joka koostuu tasossa värähtelevästä sähkökenttä-aallosta kohtisuorassa (suorassa kulmassa) magneettikenttäaallolle, jotka molemmat ovat kohtisuorassa liike.

Koska sähkömagneettinen säteily toimii aallona, ​​minkä tahansa tietyn sähkömagneettisen aallon tai valoaallon siihen liittyy taajuus ja aallonpituus. Aallonpituuden ja taajuuden tulo on aallon nopeus.

Sähkömagneettiset aallot eivät kuitenkaan vaadi väliainetta, jonka kautta ne voivat levitä, ja siten ne voivat kulkea tyhjän tilan tyhjiö (mitä he tekevät valon nopeudella - nopein nopeus maailmankaikkeus).

Sähkömagneettisia aaltoja on monenlaisia, mukaan lukien radioaallot, mikroaallot, infrapunasäteily, näkyvä valo, ultraviolettisäteily, röntgensäteet ja gammasäteet.

Lisäksi, koska sähkömagneettinen aalto on poikittainen amplitudin kanssa kohtisuorassa liikesuuntaan nähden, se voidaan polarisoida - liikesuuntaan nähden kohtisuorassa on monia mahdollisia tasoja, mutta polarisoidulla aallolla on poikittainen amplitudi vain yhdessä niitä. Pitkittäisaallot, kuten ääniaallot, siirtyvät vain liikesuuntaan, ja siksi niitä ei voida polarisoida.

Polarisoimattomilla valoaalloilla on useita päällekkäisiä suuntauksia. Valoaalloilla on sekä sähkö- että magneettikenttä, jotka ovat aina suorassa kulmassa toisiinsa nähden - sopimuksella polarisaatio määritetään sähkökentän suunnalla. Katsomalla päätä päin, saatamme nähdä sähkökenttä vektorit osoittavat kaikkiin suuntiin.

Kun valo johdetaan polarisaattorin tai polarisoivan suodattimen läpi, suodatin päästää läpi vain osan valosta, jossa on sähkökentän linjat, jotka on suunnattu suodattimen suuntaisesti. Tämän seurauksena valo polarisoituu - kaikki suuntautuu samaan suuntaan. Tämä on lineaarinen polarisaatio.

Hehkulampuista tai auringosta tuleva valo ei ole polarisoitunut. Yleisimmät polarisoidun valon lähteet ovat laserit. Jos kahta polarisoivaa suodatinta pidetään suorassa kulmassa toisiinsa tulevan valonlähteen edessä, kaikki valot estetään. Jos kulma on pienempi (esimerkiksi 45 astetta), vain osa valosta on tukossa.

Kevyitä polarisaattoreita on kolmea tyyppiä: heijastava, dikroottinen ja kaksirenkainen. Heijastavat polarisaattorit antavat vain tietyn valon polarisaation kulkea läpi heijastamalla loput; dikroottiset polarisaattorit tekevät päinvastoin, vain estäen tietyn valon polarisaation samalla, kun kaikki muut pääsevät läpi. Kaksisärkyisessä valon eri polarisaatiot taittuvat eri kulmissa, jolloin valon eri polarisaatiot voidaan valita riippuen siitä, mitä polarisaatiota halutaan.

Valopolarisaatio on se, kuinka elokuvat projisoidaan 3D-muodossa. Elokuvan kävijöille annetuissa 3D-lasissa on tosiasiallisesti päinvastaiset polarisoivat suodattimet jokaisessa linssissä; vaakasuodatin esimerkiksi vasemmalla ja pystysuodatin oikealla. Elokuva projisoidaan sitten samalle valkokankaalle kahdesta eri projektorista, joista toinen heijastaa valoa polarisoituna pystysuoraan ja toinen heijastaa valoa vaakatasossa. Vasen silmä näkee sitten hieman erilaisen kuvan kuin oikea silmä, ja aivot yhdistävät kuvat luodakseen käsityksen syvyydestä.

Kun valonsäde on törmännyt materiaalin pintaan, osa valosta heijastuu ja osa siitä taittuu (se kulkee materiaalin läpi). Heijastuvan valon ja taittuneen valon ollessa tarkasti suorassa kulmassa tarvittavaa tulevan valon kulmaa kutsutaan Brewsterin kulmaksi.

Kun tulokulma on yhtä suuri kuin Brewsterin kulma (riippuu jommankumman väliaineen koostumuksesta) ja tuleva valo on polarisoimaton, se aiheuttaa heijastuneen lineaarisen polarisaation kevyt. Jos tulevalla valolla on erityinen polarisaatio, erityisesti materiaalin kohdalla, se taittuu vain ilman heijastunutta valoa.

Miksi näin tapahtuu? Kun materiaalin pinnalla olevat atomit absorboivat tuleva valo väliaikaisesti, materiaalin atomien elektronit värähtelevät. Koska valoaallot ovat poikittaisia, polarisaation on oltava kohtisuorassa aallon liikesuuntaan nähden. Joten jos tulevan aallon polarisaatio on suunnassa, johon heijastuvan aallon pitäisi olla, heijastettua aaltoa ei voi olla.

Jos tuleva valo on polarisoimaton, heijastunut valo polarisoituu vaakasuorassa, samansuuntaisesti heijastavan pinnan kanssa. Tätä kutsutaan s-polarisoiduksi valoksi. Valoa, jonka polarisaatio on tulotasossa, tai tasoa, joka muodostuu tulevan valon liikesuunnasta ja pintaan kohtisuoraa vektoria, kutsutaan p-polarisoiduksi.

Polarisoidut aurinkolasit käyttävät Brewsterin kulman käsitettä vähentääkseen auringonvalon heijastumista vaakasuorista pinnoista. Kun aurinko on matalalla taivaalla, heijastuneessa häikäisyssä on paljon s-polarisoitua valoa pintojen kuten veden ja teiden varalta. Polarisoidut aurinkolasit estävät tämän polarisoituneen valon vähentäen häikäisyä.

Ilman molekyylien kohdalta tulevan valon sironta aiheuttaa valon polarisoitumisen lineaarisesti kohtisuoraan tulotasoon nähden. Ilmamolekyylit kuljettavat omaa pientä värähtelyään yhteen suuntaan, joka tunnetaan nimellä dipolimomentti, ja ne säteilevät energiaa kohtisuorassa kyseisen värähtelyn linjaan nähden. Joten jos molekyylin dipolimomentti värähtelee edestakaisin y-akseli, tuleva polarisoimaton valo sirontaa siitä x-suunta, polarisoitu y-suunta (dipolin suuntainen).

Jos tulevan valon aallonpituus on verrattavissa molekyylien kokoon, tätä kutsutaan Rayleigh-sironnaksi. Rayleigh-sironta on vastuussa taivaan väristä, olipa kyseessä kauniin päivän syvän sininen tai auringonlaskun syvä punainen; värit muuttuvat riippuen auringonvalon ilmakehän kulmasta.

Polarisaatio voi tapahtua myös taittamalla tai taivuttamalla valoa, kun se kulkee väliaineesta toiseen. Useimmiten polarisaatio tapahtuu kohtisuorassa pintaa vastaan.

Kun materiaalin taitekerroin riippuu valon suuntauksesta ja polarisaatiosta, sitä kutsutaan kaksiturtaiseksi. Kaksimurtuvissa materiaaleissa tuleva valonsäde jaetaan polarisaation avulla kahteen säteeseen materiaalin sisällä, jotka kulkevat hieman eri polkuja.

Jotkut tutkijat epäilevät, että viikingit ovat saattaneet käyttää kaksisuuntaista kalsiittia nimeltä "kalsiitti". navigointiapu, koska sen taitekerroinominaisuuksia voidaan käyttää paikantamaan aurinko pilvisenä päivänä tai jopa horisontti.

Pyöreä polarisaatio on polarisaatiotila, jossa sähkökentän suunta pyörii pyöreästi ajan myötä tasaisella nopeudella tasossa, joka on kohtisuorassa etenemissuuntaan. Tämän voidaan kuvitella sähkökentän vektorin piirtävän kierteen etenemisakselin ympäri, kun aalto etenee. (Elliptinen polarisaatio, jossa helix on hiottu hieman yhteen ulottuvuuteen, on myös mahdollista.)

Jos katsottaessa valonlähteen suuntaan sähkökentän vektori näyttää pyörivän vastapäivään, valoa kutsutaan oikeansuuntaisesti polarisoiduksi. Jos vektori näyttää pyörivän myötäpäivään, valoa kutsutaan pyöriväksi vasemmalle ja ympyrälle.

Ympyräpolarisaatio syntyy kahdesta lineaarisesti polarisoidusta valoaallosta, jotka ovat polarisoituneet kohtisuoraan toisiinsa nähden, ja jokainen etenee 90 astetta vaiheen ulkopuolella. Elliptinen polarisaatio on silloin, kun yhdellä näistä valoaalloista on pienempi amplitudi kuin muilla, mikä luo ellipsin ympyrän sijasta.