Polarizacija svjetlosti: definicija, refleksija, lom i raspršivanje

Možda biste nosili polarizirane sunčane naočale, ali što to znači? Po čemu se razlikuju od ostalih vrsta sunčanih naočala i zašto su korisne? Polarizacija, u svjetlosnom smislu, odnosi se na postupak usmjeravanja ili filtriranja svjetlosnih valova u jednom smjeru, što utječe na ono što možete vidjeti.

Elektromagnetski val je poprečni val koji se sastoji od vala električnog polja koji titra u ravnini okomito (pod pravim kutom) na val magnetskog polja, a oba su okomita na smjer pokret.

Budući da elektromagnetsko zračenje djeluje kao val, tada će svaki određeni elektromagnetski val ili svjetlosni val imati frekvenciju i valnu duljinu povezane s njim. Umnožak valne duljine i frekvencije je brzina vala.

Međutim, elektromagnetski valovi ne trebaju medij kroz koji će se širiti, a time i mogu prelaze vakuum praznog prostora (što čine brzinom svjetlosti - najbržom brzinom u svemir).

Elektromagnetski valovi dolaze u mnogim varijantama, uključujući radio valove, mikrovalne pećnice, infracrveno zračenje, vidljivo svjetlo, ultraljubičasto zračenje, x-zrake i gama zrake.

Uz to, budući da je elektromagnetski val poprečan s amplitudom okomitom na smjer kretanja, može se polarizirati - postoji mnogo mogućih ravnina okomitih na smjer kretanja, ali polarizirani val imat će poprečnu amplitudu samo u jednoj od ih. Uzdužni valovi poput zvučnih valova imaju samo pomak u smjeru kretanja, pa ih stoga nije moguće polarizirati.

Nepolarizirani svjetlosni valovi imaju višestruko prekrivene orijentacije. Svjetlosni valovi imaju i električno i magnetsko polje, uvijek pod pravim kutom jedni prema drugima - po dogovoru polarizacija se definira smjerom električnog polja. Gledajući glavom, mogli bismo vidjeti vektore električnog polja usmjerene u svim različitim smjerovima.

Kad svjetlost prolazi kroz polarizator ili polarizacijski filtar, filtar propušta samo dio svjetlosti s linijama električnog polja orijentiranim paralelno s filtrom. Kao rezultat, svjetlost postaje polarizirana - sve usmjereno u istom smjeru. Ovo je linearna polarizacija.

Svjetlost koja dolazi iz žarulja ili sunca nije polarizirana. Najčešći izvori polarizirane svjetlosti su laseri. Ako se dva polarizirajuća filtra drže pod pravim kutom jedan pred drugim ispred padajućeg izvora svjetlosti, sve će svjetlo biti blokirano. Ako je kut manji (na primjer, 45 stupnjeva), blokira se samo dio svjetla.

Polarizatori svjetlosti dolaze u tri vrste: reflektirajući, dikroični i dvolomni. Reflektirajući polarizatori omogućuju samo određenu polarizaciju svjetlosti, dok odražavaju ostatak; dikroični polarizatori rade suprotno, blokirajući samo određenu polarizaciju svjetlosti, dok istovremeno omogućuju prolazak svih ostalih. U dvolomnom lomljenju različite će se polarizacije svjetlosti lomiti pod različitim kutovima, što omogućava odabir različitih polarizacija svjetlosti, ovisno o tome koja je polarizacija željena.

Polarizacija svjetlosti je način na koji se filmovi projiciraju u 3D-u. 3D naočale koje se daju gledateljima filmova zapravo imaju suprotne polarizacijske filtre u svakoj leći; na primjer vodoravni filtar u lijevoj i vertikalni filtar u desnoj. Film se zatim na isti zaslon projicira iz dva različita projektora, jedan koji vertikalno polarizira svjetlost, a drugi vodoravno polariziranu. Lijevo oko tada vidi nešto drugačiju sliku od desnog, a mozak kombinira slike da stvori percepciju dubine.

Kad zraka svjetlosti pada na površinu materijala, dio se svjetlosti odbije, a dio se prelomi (putuje kroz materijal). Kut upadne svjetlosti potreban da bi odbijena i prelomljena svjetlost bili pod točno pravim kutom naziva se Brewsterov kut.

Kada je upadni kut jednak Brewsterovom kutu (ovisno o sastavu medija na bilo kojem strana površine), a upadna svjetlost je nepolarizirana, uzrokovat će linearnu polarizaciju odbijenog svjetlo. Ako upadno svjetlo ima specifičnu polarizaciju, posebno za materijal, ono će se prelomiti samo bez reflektirane svjetlosti.

Zašto se to događa? Kad prigodnu svjetlost privremeno apsorbiraju atomi na površini materijala, elektroni u atomima materijala osciliraju. Budući da su svjetlosni valovi poprečni, polarizacija mora biti okomita na smjer kretanja vala. Dakle, ako je polarizacija upadnog vala u smjeru u kojem bi trebao biti odbijeni val, odbijeni val ne može postojati.

Ako je upadna svjetlost nepolarizirana, odbijena svjetlost bit će polarizirana vodoravno, paralelno s reflektirajućom površinom. To se naziva s-polarizirana svjetlost. Svjetlost s polarizacijom u upadnoj ravnini ili ravnina nastala iz smjera kretanja upadne svjetlosti i vektora okomitog na površinu naziva se p-polarizirana.

Polarizirane sunčane naočale koriste koncept Brewsterovog kuta za smanjenje odbijanja sunčeve svjetlosti od vodoravnih površina. Kada je sunce nisko na nebu, ima puno s-polariziranog svjetla u odbijenom odsjaju s površina poput vode i cesta. Polarizirane sunčane naočale blokiraju svjetlost koja ima ovu polarizaciju, smanjujući odsjaj.

Rasipanje upadne svjetlosti iz molekula zraka uzrokuje linearnu polarizaciju svjetlosti okomito na upadnu ravninu. Molekule zraka nose svoje vlastito malo osciliranje u jednom smjeru, poznato kao dipolni trenutak, i zrače energijom okomito na liniju tog titranja. Dakle, ako dipolni moment molekule oscilira naprijed-natrag na g-os, padajuća nepolarizirana svjetlost raspršit će se od nje u x-smjer, polariziran u g-smjer (paralelno s dipolom).

Ako je valna duljina upadne svjetlosti usporediva s veličinom molekula, to se naziva Rayleighovo raspršivanje. Rayleighovo rasipanje odgovorno je za boju neba, bilo da je u pitanju tamnoplava boja lijepog dana ili tamnocrvena boja zalaska sunca; boje se mijenjaju ovisno o kutu upada sunčeve svjetlosti u atmosferu.

Polarizacija se također može dogoditi lomom ili savijanjem svjetlosti pri prelasku iz jednog medija u drugi. Najčešće se polarizacija događa okomito na površinu.

Kada indeks loma materijala ovisi o smjeru pada i polarizaciji svjetlosti, on se naziva dvolomni. U dvolomnim materijalima padajuća zraka svjetlosti polarizacijom se dijeli na dvije zrake unutar materijala koje idu malo drugačijim putovima.

Neki znanstvenici sumnjaju da su Vikinzi možda koristili dvolomni kristal nazvan "kalcit" kao navigacijsko pomagalo, jer bi se njegova refrakcijska polarizirajuća svojstva mogla koristiti za lociranje sunca po oblačnom danu ili čak ispod horizont.

Kružna polarizacija je polarizacijsko stanje u kojem se smjer električnog polja okreće kružno s vremenom stalnom brzinom u ravnini okomitoj na smjer širenja. To se može zamisliti kao vektor električnog polja koji izvlači zavojnicu oko osi širenja dok se val širi. (Moguća je i eliptična polarizacija, kod koje je zavojnica blago zgužvana u jednoj dimenziji.)

Ako se dok se gleda u smjeru izvora svjetlosti čini da se vektor električnog polja rotira u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, svjetlost se naziva desno-kružno polariziranom. Ako se čini da se vektor rotira u smjeru kazaljke na satu, svjetlost se naziva lijevo-kružno polariziranom.

Kružnu polarizaciju stvaraju dva linearno polarizirana svjetlosna vala, polarizirana okomito jedna na drugu i svaki se širi za 90 stupnjeva izvan faze. Eliptična polarizacija je kada jedan od ovih svjetlosnih valova ima manju amplitudu od drugog, stvarajući elipsu, a ne krug.