Polarisasi Cahaya: Definisi, Pemantulan, Pembiasan & Hamburan

Anda mungkin mengenakan kacamata hitam terpolarisasi, tetapi apa artinya ini? Apa perbedaannya dengan jenis kacamata hitam lainnya, dan mengapa mereka berguna? Polarisasi, dalam istilah cahaya, mengacu pada proses orientasi atau penyaringan gelombang cahaya dalam satu arah, yang memengaruhi apa yang dapat Anda lihat.

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang transversal yang terdiri dari gelombang medan listrik yang berosilasi dalam bidang tegak lurus (pada sudut kanan) terhadap gelombang medan magnet, yang keduanya tegak lurus terhadap arah gerakan.

Karena radiasi elektromagnetik bertindak sebagai gelombang, maka setiap gelombang elektromagnetik atau gelombang cahaya tertentu akan memiliki frekuensi dan panjang gelombang yang terkait dengannya. Produk dari panjang gelombang dan frekuensi adalah kecepatan gelombang.

Namun, gelombang elektromagnetik tidak memerlukan media untuk merambat, dan karenanya dapat melintasi ruang hampa ruang kosong (yang mereka lakukan dengan kecepatan cahaya – kecepatan tercepat di) alam semesta).

Gelombang elektromagnetik datang dalam berbagai jenis, termasuk gelombang radio, gelombang mikro, radiasi inframerah, cahaya tampak, radiasi ultraviolet, sinar-x, dan sinar gamma.

Selain itu, karena gelombang elektromagnetik transversal dengan amplitudo tegak lurus terhadap arah gerak, dapat terpolarisasi - ada banyak kemungkinan bidang yang tegak lurus terhadap arah gerak, tetapi gelombang terpolarisasi akan memiliki amplitudo transversal hanya dalam satu dari mereka. Gelombang longitudinal seperti gelombang suara hanya memiliki perpindahan dalam arah gerak, dan karena itu tidak dapat dipolarisasi.

Gelombang cahaya tidak terpolarisasi memiliki beberapa orientasi yang ditumpangkan. Gelombang cahaya memiliki medan listrik dan magnet, selalu tegak lurus satu sama lain – menurut konvensi, polarisasi ditentukan oleh arah medan listrik. Melihat ke depan, kita mungkin melihat vektor medan listrik menunjuk ke segala arah yang berbeda.

Ketika cahaya dilewatkan melalui polarizer atau filter polarisasi, filter hanya memungkinkan sebagian cahaya dengan garis medan listrik yang berorientasi sejajar dengan filter untuk melewatinya. Akibatnya, cahaya menjadi terpolarisasi – semuanya berorientasi pada arah yang sama. Ini adalah polarisasi linier.

Cahaya yang berasal dari bola lampu atau matahari tidak terpolarisasi. Sumber cahaya terpolarisasi yang paling umum adalah laser. Jika dua filter polarisasi dipegang tegak lurus satu sama lain di depan sumber cahaya yang datang, semua cahaya akan terhalang. Jika sudutnya lebih kecil (45 derajat, misalnya) hanya sebagian cahaya yang terhalang.

Polarizer cahaya datang dalam tiga jenis: reflektif, dichroic dan birefringent. Polarizer reflektif hanya memungkinkan polarisasi cahaya tertentu untuk melewatinya, sambil memantulkan sisanya; polarizer dichroic melakukan yang sebaliknya, hanya menghalangi polarisasi cahaya tertentu sementara membiarkan semua yang lain melewatinya. Dalam birefringence, polarisasi cahaya yang berbeda akan dibiaskan pada sudut yang berbeda, memungkinkan polarisasi cahaya yang berbeda untuk dipilih tergantung pada polarisasi yang diinginkan.

Polarisasi cahaya adalah bagaimana film diproyeksikan dalam 3D. Kacamata 3D yang diberikan kepada penonton film sebenarnya memiliki filter polarisasi yang berlawanan di setiap lensa; filter horizontal di kiri dan filter vertikal di kanan, misalnya. Film kemudian diproyeksikan ke layar yang sama dari dua proyektor yang berbeda, satu memproyeksikan cahaya terpolarisasi vertikal dan satu memproyeksikan cahaya terpolarisasi horizontal. Mata kiri kemudian melihat gambar yang sedikit berbeda dari mata kanan, dan otak menggabungkan gambar untuk menciptakan persepsi kedalaman.

Ketika seberkas cahaya datang pada permukaan suatu material, sebagian cahaya dipantulkan dan sebagian dibiaskan (melewati material). Sudut datangnya cahaya yang diperlukan agar cahaya yang dipantulkan dan cahaya yang dibiaskan berada pada sudut yang tepat disebut sudut Brewster.

Ketika sudut datang sama dengan sudut Brewster (tergantung pada komposisi media pada kedua sisi permukaan), dan cahaya datang tidak terpolarisasi, itu akan menyebabkan polarisasi linier dari pantulan cahaya. Jika cahaya datang memiliki polarisasi tertentu, khususnya pada bahan, maka hanya akan dibiaskan tanpa cahaya yang dipantulkan sama sekali.

Mengapa ini terjadi? Ketika cahaya datang untuk sementara diserap oleh atom-atom di permukaan material, elektron dalam atom material berosilasi. Karena gelombang cahaya bersifat transversal, polarisasi harus tegak lurus terhadap arah gerak gelombang. Jadi jika polarisasi gelombang datang searah dengan arah gelombang pantul, gelombang pantul tidak akan ada.

Jika cahaya datang tidak terpolarisasi, cahaya yang dipantulkan akan terpolarisasi horizontal, sejajar dengan permukaan pantul. Ini disebut cahaya terpolarisasi-s. Cahaya dengan polarisasi pada bidang datang, atau bidang yang terbentuk dari arah gerak sinar datang dan vektor yang tegak lurus permukaan, disebut terpolarisasi-p.

Kacamata hitam terpolarisasi menggunakan konsep sudut Brewster untuk mengurangi pantulan sinar matahari dari permukaan horizontal. Saat matahari rendah di langit, ada banyak cahaya terpolarisasi s yang dipantulkan dari permukaan seperti air dan jalan. Kacamata hitam terpolarisasi memblokir cahaya yang memiliki polarisasi ini, mengurangi silau.

Penghamburan cahaya datang dari molekul udara menyebabkan cahaya terpolarisasi linier tegak lurus terhadap bidang datang. Molekul udara membawa osilasi kecil mereka sendiri dalam satu arah, yang dikenal sebagai momen dipol, dan mereka memancarkan energi tegak lurus terhadap garis osilasi itu. Jadi jika momen dipol molekul berosilasi bolak-balik pada kamusumbu -, cahaya tak terpolarisasi yang datang akan dihamburkan di x-arah, terpolarisasi dalam kamu-arah (sejajar dengan dipol).

Jika panjang gelombang cahaya datang sebanding dengan ukuran molekul, ini disebut hamburan Rayleigh. Hamburan Rayleigh bertanggung jawab atas warna langit, apakah itu biru tua di hari yang indah atau merah tua saat matahari terbenam; warna berubah tergantung pada sudut datangnya sinar matahari ke atmosfer.

Polarisasi juga dapat terjadi oleh pembiasan, atau pembelokan cahaya saat melewati dari satu medium ke medium lainnya. Paling sering, polarisasi terjadi tegak lurus terhadap permukaan.

Ketika indeks bias material bergantung pada arah datang dan polarisasi cahaya, itu disebut birefringent. Dalam bahan birefringent, sinar datang cahaya dibagi oleh polarisasi menjadi dua sinar di dalam bahan, yang mengambil jalur yang sedikit berbeda.

Beberapa ilmuwan menduga bahwa jenis kristal birefringent yang disebut "kalsit" mungkin telah digunakan oleh Viking sebagai bantuan navigasi, karena sifat polarisasi biasnya dapat digunakan untuk menemukan matahari pada hari berawan, atau bahkan di bawah cakrawala.

Polarisasi melingkar adalah keadaan polarisasi di mana arah medan listrik berputar secara sirkular terhadap waktu dengan laju tetap dalam bidang yang tegak lurus terhadap arah rambat. Hal ini dapat dibayangkan sebagai vektor medan listrik yang menarik keluar sebuah heliks di sekitar sumbu rambat sebagai gelombang merambat. (Polarisasi elips, di mana heliks sedikit terjepit dalam satu dimensi, juga dimungkinkan.)

Jika, ketika melihat ke arah sumber cahaya, vektor medan listrik tampak berputar berlawanan arah jarum jam, cahaya disebut terpolarisasi sirkular kanan. Jika vektor tampak berputar searah jarum jam, cahaya disebut terpolarisasi sirkular kiri.

Polarisasi melingkar dibuat oleh dua gelombang cahaya terpolarisasi linier, terpolarisasi tegak lurus satu sama lain, dan masing-masing merambat 90 derajat keluar dari fase. Polarisasi elips adalah ketika salah satu gelombang cahaya ini memiliki amplitudo yang lebih kecil dari yang lain, menciptakan elips daripada lingkaran.