Potresti indossare un paio di occhiali da sole polarizzati, ma cosa significa? In cosa sono diversi dagli altri tipi di occhiali da sole e perché sono utili? La polarizzazione, in termini di luce, si riferisce al processo di orientamento o filtraggio delle onde luminose in un'unica direzione, che influisce su ciò che puoi vedere.
Luce come onde elettromagnetiche
Un'onda elettromagnetica è un'onda trasversale costituita da un'onda di campo elettrico che oscilla in un piano perpendicolare (ad angolo retto) a un'onda di campo magnetico, entrambi i quali sono perpendicolari alla direzione di movimento.
Poiché la radiazione elettromagnetica agisce come un'onda, allora ogni particolare onda elettromagnetica o onda luminosa avrà una frequenza e una lunghezza d'onda ad essa associate. Il prodotto della lunghezza d'onda e della frequenza è la velocità dell'onda.
Tuttavia, le onde elettromagnetiche non richiedono un mezzo attraverso il quale propagarsi, e quindi possono attraversano il vuoto dello spazio vuoto (cosa che fanno alla velocità della luce - la velocità più veloce nel universo).
Le onde elettromagnetiche sono disponibili in molte varietà, tra cui onde radio, microonde, radiazioni infrarosse, luce visibile, radiazioni ultraviolette, raggi X e raggi gamma.
Inoltre, poiché un'onda elettromagnetica è trasversale con ampiezza perpendicolare alla direzione del moto, può essere polarizzata - ci sono molti possibili piani perpendicolari alla direzione del moto, ma un'onda polarizzata avrà ampiezza trasversale solo in uno dei loro. Le onde longitudinali come le onde sonore hanno solo spostamento nella direzione del movimento e quindi non possono essere polarizzate.
Polarizzazione della luce
Le onde luminose non polarizzate hanno più orientamenti sovrapposti. Le onde luminose hanno sia campi elettrici che magnetici, sempre ad angolo retto tra loro: per convenzione, la polarizzazione è definita dalla direzione del campo elettrico. Guardando a testa alta, potremmo vedere i vettori del campo elettrico che puntano in tutte le diverse direzioni.
Quando la luce viene fatta passare attraverso un polarizzatore o un filtro polarizzatore, il filtro lascia passare solo la porzione di luce con linee di campo elettrico orientate parallelamente al filtro. Di conseguenza, la luce diventa polarizzata, tutta orientata nella stessa direzione. Questa è la polarizzazione lineare.
La luce proveniente dalle lampadine o dal sole non è polarizzata. Le sorgenti più comuni di luce polarizzata sono i laser. Se due filtri polarizzatori vengono tenuti ad angolo retto l'uno rispetto all'altro di fronte a una sorgente di luce incidente, tutta la luce verrà bloccata. Se l'angolo è più piccolo (45 gradi, per esempio) solo una parte della luce viene bloccata.
I polarizzatori di luce sono di tre tipi: riflettenti, dicroici e birifrangenti. I polarizzatori riflettenti consentono solo il passaggio di una certa polarizzazione della luce, riflettendo il resto; i polarizzatori dicroici fanno l'opposto, bloccando solo una certa polarizzazione della luce mentre permettono a tutti gli altri di passare. Nella birifrangenza, diverse polarizzazioni della luce si rifrangono ad angoli diversi, consentendo di selezionare diverse polarizzazioni della luce a seconda di quale polarizzazione si desidera.
La polarizzazione della luce è il modo in cui i film vengono proiettati in 3D. Gli occhiali 3D dati agli spettatori hanno in realtà filtri polarizzatori opposti in ciascuna lente; un filtro orizzontale a sinistra e un filtro verticale a destra, per esempio. Il film viene quindi proiettato sullo stesso schermo da due diversi proiettori, uno che proietta la luce polarizzata verticalmente e l'altro che proietta la luce polarizzata orizzontalmente. L'occhio sinistro vede quindi un'immagine leggermente diversa dall'occhio destro e il cervello combina le immagini per creare una percezione della profondità.
Angolo di Brewster e polarizzazione per riflessione
Quando un raggio di luce è incidente su una superficie di un materiale, parte della luce viene riflessa e parte viene rifratta (viaggia attraverso il materiale). L'angolo di luce incidente richiesto affinché la luce riflessa e la luce rifratta siano esattamente ad angolo retto è chiamato angolo di Brewster.
Quando l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di Brewster (dipendente dalle composizioni dei mezzi su entrambi lato della superficie) e la luce incidente non è polarizzata, causerà una polarizzazione lineare del riflesso leggero. Se la luce incidente ha una polarizzazione specifica, particolare per il materiale, verrà rifratta solo senza luce riflessa.
Perché questo accade? Quando la luce incidente viene temporaneamente assorbita dagli atomi sulla superficie del materiale, gli elettroni negli atomi del materiale oscillano. Poiché le onde luminose sono trasversali, la polarizzazione deve essere perpendicolare alla direzione del moto dell'onda. Quindi, se la polarizzazione dell'onda incidente è nella direzione in cui dovrebbe essere l'onda riflessa, l'onda riflessa non può esistere.
Se la luce incidente non è polarizzata, la luce riflessa sarà polarizzata orizzontalmente, parallelamente alla superficie riflettente. Questa è chiamata luce s-polarizzata. La luce con polarizzazione nel piano di incidenza, ovvero il piano formato dalla direzione del moto della luce incidente e da un vettore perpendicolare alla superficie, è detta p-polarizzata.
Gli occhiali da sole polarizzati utilizzano il concetto dell'angolo di Brewster per ridurre il riflesso della luce solare sulle superfici orizzontali. Quando il sole è basso nel cielo, c'è molta luce polarizzata s nel bagliore riflesso da superfici come l'acqua e le strade. Gli occhiali da sole polarizzati bloccano la luce con questa polarizzazione, riducendo l'abbagliamento.
Polarizzazione per dispersione
La dispersione della luce incidente sulle molecole d'aria fa sì che la luce sia polarizzata linearmente perpendicolarmente al piano di incidenza. Le molecole d'aria trasportano la loro piccola oscillazione in una direzione, nota come momento di dipolo, e irradiano energia perpendicolarmente alla linea di quell'oscillazione. Quindi se il momento di dipolo di una molecola oscilla avanti e indietro sul sì-asse, la luce incidente non polarizzata si disperderà da esso nel X-direzione, polarizzata in sì-direzione (parallela al dipolo).
Se la lunghezza d'onda della luce incidente è paragonabile alla dimensione delle molecole, si parla di diffusione di Rayleigh. Lo scattering di Rayleigh è responsabile del colore del cielo, che sia un blu intenso di una bella giornata o il rosso intenso di un tramonto; i colori cambiano a seconda dell'angolo di incidenza della luce solare sull'atmosfera.
Polarizzazione per rifrazione
La polarizzazione può verificarsi anche per rifrazione o flessione della luce mentre passa da un mezzo all'altro. Molto spesso, la polarizzazione avviene perpendicolarmente alla superficie.
Quando l'indice di rifrazione di un materiale dipende dalla direzione incidente e dalla polarizzazione della luce, si parla di birifrangenza. Nei materiali birifrangenti, un raggio di luce incidente viene diviso per polarizzazione in due raggi all'interno del materiale, che prendono percorsi leggermente diversi.
Alcuni scienziati sospettano che un tipo di cristallo birifrangente chiamato "calcite" possa essere stato usato dai Vichinghi come a aiuto alla navigazione, poiché le sue proprietà polarizzanti rifrattive potrebbero essere utilizzate per localizzare il sole in una giornata nuvolosa, o anche al di sotto del orizzonte.
Polarizzazione circolare
La polarizzazione circolare è uno stato di polarizzazione in cui la direzione del campo elettrico ruota circolarmente nel tempo a velocità costante in un piano perpendicolare alla direzione di propagazione. Questo può essere immaginato come il vettore del campo elettrico che disegna un'elica attorno all'asse di propagazione mentre l'onda si propaga. (È anche possibile la polarizzazione ellittica, in cui l'elica è leggermente schiacciata in una dimensione.)
Se, guardando nella direzione della sorgente luminosa, il vettore del campo elettrico sembra ruotare in senso antiorario, la luce è detta polarizzata circolarmente destra. Se il vettore sembra ruotare in senso orario, la luce è detta polarizzata circolarmente a sinistra.
La polarizzazione circolare è creata da due onde luminose polarizzate linearmente, polarizzate perpendicolarmente l'una all'altra e ciascuna che si propaga di 90 gradi fuori fase. La polarizzazione ellittica è quando una di queste onde luminose ha un'ampiezza minore dell'altra, creando un'ellisse anziché un cerchio.