Je zou een gepolariseerde zonnebril kunnen dragen, maar wat betekent dit? Waarin verschillen ze van andere soorten zonnebrillen en waarom zijn ze nuttig? Polarisatie, in termen van licht, verwijst naar het proces van het oriënteren of filteren van lichtgolven in een enkele richting, wat van invloed is op wat je kunt zien.
Licht als elektromagnetische golven
Een elektromagnetische golf is een transversale golf die bestaat uit een elektrische veldgolf die oscilleert in een vlak loodrecht (in een rechte hoek) op een magnetische veldgolf, die beide loodrecht staan op de richting van beweging.
Aangezien elektromagnetische straling als een golf werkt, heeft elke specifieke elektromagnetische golf of lichtgolf een bijbehorende frequentie en golflengte. Het product van de golflengte en frequentie is de golfsnelheid.
Elektromagnetische golven hebben echter geen medium nodig om zich door voort te planten, en kunnen daarom: door het vacuüm van lege ruimte gaan (wat ze doen met de snelheid van het licht - de hoogste snelheid in de) universum).
Elektromagnetische golven zijn er in vele varianten, waaronder radiogolven, microgolven, infraroodstraling, zichtbaar licht, ultraviolette straling, röntgenstraling en gammastraling.
Bovendien, aangezien een elektromagnetische golf transversaal is met een amplitude loodrecht op de bewegingsrichting, kan deze worden gepolariseerd - er zijn veel mogelijke vlakken loodrecht op de bewegingsrichting, maar een gepolariseerde golf zal transversale amplitude hebben in slechts één van hen. Longitudinale golven zoals geluidsgolven hebben alleen verplaatsing in de bewegingsrichting en kunnen daarom niet worden gepolariseerd.
Polarisatie van licht
Niet-gepolariseerde lichtgolven hebben meerdere gesuperponeerde oriëntaties. Lichtgolven hebben zowel elektrische als magnetische velden, altijd loodrecht op elkaar - volgens afspraak wordt polarisatie bepaald door de richting van het elektrische veld. Als we vooruit kijken, kunnen we de elektrische veldvectoren in alle verschillende richtingen zien wijzen.
Wanneer licht door een polarisator of polarisatiefilter wordt geleid, laat het filter alleen het deel van het licht door met elektrische veldlijnen die evenwijdig aan het filter zijn georiënteerd. Als gevolg hiervan wordt het licht gepolariseerd - het is allemaal in dezelfde richting georiënteerd. Dit is lineaire polarisatie.
Licht afkomstig van gloeilampen of de zon is niet gepolariseerd. De meest voorkomende bronnen van gepolariseerd licht zijn lasers. Als twee polarisatiefilters haaks op elkaar voor een invallende lichtbron worden gehouden, wordt al het licht geblokkeerd. Als de hoek kleiner is (bijvoorbeeld 45 graden), wordt slechts een deel van het licht geblokkeerd.
Lichtpolarisatoren zijn er in drie soorten: reflecterend, dichroïsch en dubbelbrekend. Reflecterende polarisatoren laten slechts een bepaalde polarisatie van het licht door, terwijl ze de rest reflecteren; dichroïsche polarisatoren doen het tegenovergestelde, ze blokkeren alleen een bepaalde polarisatie van licht terwijl ze alle andere doorlaten. Bij dubbele breking zullen verschillende polarisaties van licht breken onder verschillende hoeken, waardoor verschillende polarisaties van licht kunnen worden geselecteerd, afhankelijk van de gewenste polarisatie.
Met lichtpolarisatie worden films in 3D geprojecteerd. De 3D-bril die aan bioscoopbezoekers wordt gegeven, heeft eigenlijk tegenovergestelde polarisatiefilters in elke lens; bijvoorbeeld een horizontaal filter links en een verticaal filter rechts. De film wordt vervolgens op hetzelfde scherm geprojecteerd vanuit twee verschillende projectoren, één projecterend licht verticaal gepolariseerd en één projecterend licht horizontaal gepolariseerd. Het linkeroog ziet dan een iets ander beeld dan het rechteroog en de hersenen combineren de beelden om een perceptie van diepte te creëren.
Brewster's hoek en polarisatie door reflectie
Wanneer een lichtstraal op een oppervlak van een materiaal valt, wordt een deel van het licht gereflecteerd en een deel gebroken (het reist door het materiaal). De hoek van invallend licht die nodig is om het gereflecteerde licht en het gebroken licht precies in een rechte hoek te laten staan, wordt de hoek van Brewster genoemd.
Wanneer de invalshoek gelijk is aan de hoek van Brewster (afhankelijk van de samenstelling van de mediums op beide zijde van het oppervlak), en het invallende licht is ongepolariseerd, het zal lineaire polarisatie van het gereflecteerde veroorzaken licht. Als het invallende licht een specifieke polarisatie heeft, specifiek voor het materiaal, zal het alleen worden gebroken zonder gereflecteerd licht.
Waarom gebeurt dit? Wanneer het invallende licht tijdelijk wordt geabsorbeerd door de atomen in het oppervlak van het materiaal, oscilleren de elektronen in de atomen van het materiaal. Omdat lichtgolven transversaal zijn, moet de polarisatie loodrecht op de bewegingsrichting van de golf staan. Dus als de polarisatie van de invallende golf in de richting is waarin de gereflecteerde golf zou moeten zijn, kan de gereflecteerde golf niet bestaan.
Als het invallende licht ongepolariseerd is, zal het gereflecteerde licht horizontaal worden gepolariseerd, evenwijdig aan het reflecterende oppervlak. Dit wordt s-gepolariseerd licht genoemd. Licht met polarisatie in het invalsvlak, of het vlak gevormd uit de bewegingsrichting van het invallende licht en een vector loodrecht op het oppervlak, wordt p-gepolariseerd genoemd.
Gepolariseerde zonnebrillen gebruiken het concept van de Brewster-hoek om de reflectie van zonlicht op horizontale oppervlakken te verminderen. Wanneer de zon laag aan de hemel staat, is er veel s-gepolariseerd licht in gereflecteerde schittering van oppervlakken zoals water en wegen. Gepolariseerde zonnebrillen blokkeren het licht met deze polarisatie, waardoor schittering wordt verminderd.
Polarisatie door verstrooiing
De verstrooiing van invallend licht van luchtmoleculen zorgt ervoor dat licht lineair wordt gepolariseerd loodrecht op het vlak van inval. Luchtmoleculen dragen hun eigen kleine oscillatie in één richting, bekend als een dipoolmoment, en ze stralen energie uit loodrecht op de lijn van die oscillatie. Dus als het dipoolmoment van een molecuul heen en weer oscilleert op de ja-as, zal invallend ongepolariseerd licht ervan verstrooien in de X-richting, gepolariseerd in de ja-richting (parallel aan de dipool).
Als de golflengte van het invallende licht vergelijkbaar is met de grootte van de moleculen, wordt dit Rayleigh-verstrooiing genoemd. Rayleigh-verstrooiing is verantwoordelijk voor de kleur van de lucht, of het nu een diepblauw is van een mooie dag of het dieprood van een zonsondergang; de kleuren veranderen afhankelijk van de invalshoek van het zonlicht op de atmosfeer.
Polarisatie door breking
Polarisatie kan ook optreden door de breking of buiging van licht wanneer het van het ene medium in het andere overgaat. Meestal vindt de polarisatie loodrecht op het oppervlak plaats.
Wanneer de brekingsindex van een materiaal afhangt van de invalsrichting en polarisatie van het licht, wordt dit dubbelbrekend genoemd. In dubbelbrekende materialen wordt een invallende lichtstraal door polarisatie gesplitst in twee stralen in het materiaal, die enigszins verschillende paden volgen.
Sommige wetenschappers vermoeden dat een dubbelbrekend type kristal, "calciet" genaamd, door de Vikingen kan zijn gebruikt als een... navigatiehulpmiddel, omdat de brekende polariserende eigenschappen ervan kunnen worden gebruikt om de zon op een bewolkte dag of zelfs onder de zon te lokaliseren horizon.
Circulaire polarisatie
Circulaire polarisatie is een polarisatietoestand waarin de richting van het elektrische veld circulair met de tijd roteert met een constante snelheid in een vlak loodrecht op de voortplantingsrichting. Dit kan worden voorgesteld als de elektrische veldvector die een helix rond de voortplantingsas trekt terwijl de golf zich voortplant. (Elliptische polarisatie, waarbij de helix in één dimensie lichtjes geplet is, is ook mogelijk.)
Als, terwijl je in de richting van de lichtbron kijkt, de elektrische veldvector tegen de klok in lijkt te draaien, wordt het licht rechts-circulair gepolariseerd genoemd. Als de vector met de klok mee lijkt te draaien, wordt het licht links-circulair gepolariseerd genoemd.
Circulaire polarisatie wordt gecreëerd door twee lineair gepolariseerde lichtgolven, loodrecht op elkaar gepolariseerd en elk 90 graden uit fase voortplantend. Elliptische polarisatie is wanneer een van deze lichtgolven een kleinere amplitude heeft dan de andere, waardoor een ellips ontstaat in plaats van een cirkel.