Polaryzacja światła: definicja, odbicie, załamanie i rozproszenie

Możesz nosić okulary przeciwsłoneczne z polaryzacją, ale co to oznacza? Czym różnią się od innych rodzajów okularów przeciwsłonecznych i dlaczego są przydatne? Polaryzacja w kategoriach światła odnosi się do procesu orientowania lub filtrowania fal świetlnych w jednym kierunku, co wpływa na to, co widzisz.

Fala elektromagnetyczna to fala poprzeczna składająca się z fali pola elektrycznego oscylującej w płaszczyźnie prostopadłe (pod kątem prostym) do fali pola magnetycznego, które są prostopadłe do kierunku ruch.

Ponieważ promieniowanie elektromagnetyczne działa jak fala, każda konkretna fala elektromagnetyczna lub fala świetlna będzie miała powiązaną częstotliwość i długość fali. Iloczynem długości fali i częstotliwości jest prędkość fali.

Fale elektromagnetyczne nie wymagają jednak medium, przez które mogą się rozchodzić, a zatem mogą: przemierzają próżnię pustej przestrzeni (co robią z prędkością światła – najszybsza prędkość w wszechświat).

Fale elektromagnetyczne występują w wielu odmianach, w tym fale radiowe, mikrofale, promieniowanie podczerwone, światło widzialne, promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.

Dodatkowo, ponieważ fala elektromagnetyczna jest poprzeczna z amplitudą prostopadłą do kierunku ruchu, może być spolaryzowana – istnieje wiele możliwych płaszczyzn prostopadłych do kierunku ruchu, ale fala spolaryzowana będzie miała amplitudę poprzeczną tylko w jednej z im. Fale podłużne, takie jak fale dźwiękowe, mają przemieszczenie tylko w kierunku ruchu, a zatem nie mogą być spolaryzowane.

Niespolaryzowane fale świetlne mają wiele nałożonych na siebie orientacji. Fale świetlne mają zarówno pola elektryczne, jak i magnetyczne, zawsze pod kątem prostym do siebie – umownie polaryzacja jest określona przez kierunek pola elektrycznego. Patrząc z góry, możemy zobaczyć wektory pola elektrycznego skierowane we wszystkich kierunkach.

Kiedy światło przechodzi przez polaryzator lub filtr polaryzacyjny, filtr przepuszcza tylko część światła z liniami pola elektrycznego zorientowanymi równolegle do filtra. W rezultacie światło ulega polaryzacji – wszystko jest zorientowane w tym samym kierunku. To jest polaryzacja liniowa.

Światło pochodzące z żarówek lub słońca nie jest spolaryzowane. Najczęstszymi źródłami światła spolaryzowanego są lasery. Jeśli dwa filtry polaryzacyjne są trzymane pod kątem prostym do siebie przed padającym źródłem światła, całe światło zostanie zablokowane. Jeśli kąt jest mniejszy (na przykład 45 stopni), tylko część światła jest blokowana.

Polaryzatory światła występują w trzech typach: odblaskowe, dichroiczne i dwójłomne. Polaryzatory odblaskowe przepuszczają tylko pewną polaryzację światła, odbijając resztę; polaryzatory dichroiczne robią coś przeciwnego, blokując tylko pewną polaryzację światła, jednocześnie przepuszczając wszystkie inne. W dwójłomności różne polaryzacje światła będą załamywać się pod różnymi kątami, co pozwala na wybór różnych polaryzacji światła w zależności od pożądanej polaryzacji.

Polaryzacja światła to sposób wyświetlania filmów w 3D. Okulary 3D rozdawane widzom w rzeczywistości mają przeciwne filtry polaryzacyjne w każdym obiektywie; Na przykład filtr poziomy po lewej stronie i filtr pionowy po prawej stronie. Film jest następnie wyświetlany na tym samym ekranie z dwóch różnych projektorów, jednego emitującego światło spolaryzowane pionowo i jednego emitującego światło spolaryzowane poziomo. Lewe oko widzi wtedy nieco inny obraz niż prawe oko, a mózg łączy obrazy, aby stworzyć wrażenie głębi.

Kiedy wiązka światła pada na powierzchnię materiału, część światła zostaje odbita, a część załamana (przechodzi przez materiał). Kąt padającego światła wymagany do tego, aby odbite i załamane światło było dokładnie pod kątem prostym, nazywa się kątem Brewstera.

Gdy kąt padania jest równy kątowi Brewstera (w zależności od składu mediów na jednym z nich) strony powierzchni), a padające światło jest niespolaryzowane, spowoduje to liniową polaryzację odbitego lekki. Jeśli padające światło ma określoną polaryzację, w szczególności w stosunku do materiału, będzie ono załamywane tylko bez żadnego odbitego światła.

Dlaczego to się zdarza? Kiedy padające światło jest chwilowo pochłaniane przez atomy na powierzchni materiału, elektrony w atomach materiału drgają. Ponieważ fale świetlne są poprzeczne, polaryzacja musi być prostopadła do kierunku ruchu fali. Więc jeśli polaryzacja fali padającej jest w kierunku, w którym powinna być fala odbita, fala odbita nie może istnieć.

Jeżeli padające światło jest niespolaryzowane, odbite światło będzie spolaryzowane poziomo, równolegle do powierzchni odbijającej. Nazywa się to światłem spolaryzowanym. Światło o polaryzacji w płaszczyźnie padania, czyli płaszczyźnie utworzonej z kierunku ruchu padającego światła i wektora prostopadłego do powierzchni, nazywamy p-spolaryzowanym.

Spolaryzowane okulary przeciwsłoneczne wykorzystują koncepcję kąta Brewstera, aby zmniejszyć odbicie światła słonecznego od powierzchni poziomych. Gdy słońce jest nisko na niebie, w odbitym od powierzchni, takich jak woda i drogi, odbija się dużo światła spolaryzowanego. Spolaryzowane okulary przeciwsłoneczne blokują światło o tej polaryzacji, zmniejszając odblaski.

Rozpraszanie padającego światła z cząsteczek powietrza powoduje, że światło jest liniowo spolaryzowane prostopadle do płaszczyzny padania. Cząsteczki powietrza przenoszą swoje małe drgania w jednym kierunku, znanym jako moment dipolowy, i promieniują energią prostopadle do linii tej oscylacji. Więc jeśli moment dipolowy cząsteczki oscyluje tam i z powrotem na tak-osi, padające światło niespolaryzowane rozproszy się od niej w x-kierunkowe, spolaryzowane w tak-kierunek (równoległy do ​​dipola).

Jeśli długość fali padającego światła jest porównywalna z rozmiarem cząsteczek, nazywa się to rozpraszaniem Rayleigha. Rozproszenie Rayleigha jest odpowiedzialne za kolor nieba, niezależnie od tego, czy jest to głęboki błękit pięknego dnia, czy głęboka czerwień zachodu słońca; kolory zmieniają się w zależności od kąta padania światła słonecznego na atmosferę.

Polaryzacja może również wystąpić w wyniku załamania lub zgięcia światła podczas przechodzenia z jednego ośrodka do drugiego. Najczęściej polaryzacja przebiega prostopadle do powierzchni.

Kiedy współczynnik załamania materiału zależy od kierunku padania i polaryzacji światła, nazywa się to dwójłomnością. W materiałach dwójłomnych padający promień światła jest rozdzielany przez polaryzację na dwa promienie wewnątrz materiału, które obierają nieco inne tory.

Niektórzy naukowcy podejrzewają, że dwójłomny rodzaj kryształu zwany „kalcytem” mógł być używany przez Wikingów jako pomoc nawigacyjna, ponieważ jego refrakcyjne właściwości polaryzacyjne mogą być wykorzystane do zlokalizowania słońca w pochmurny dzień, a nawet poniżej horyzont.

Polaryzacja kołowa to stan polaryzacji, w którym kierunek pola elektrycznego obraca się w czasie kołowo ze stałą prędkością w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji. Można to sobie wyobrazić jako wektor pola elektrycznego rysujący spiralę wokół osi propagacji w miarę propagacji fali. (Możliwa jest również polaryzacja eliptyczna, w której spirala jest lekko ściśnięta w jednym wymiarze.)

Jeśli patrząc w kierunku źródła światła, wektor pola elektrycznego wydaje się obracać w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, światło nazywamy spolaryzowanym prawo-kołowo. Jeśli wektor wydaje się obracać zgodnie z ruchem wskazówek zegara, światło nazywa się spolaryzowanym kołowo w lewo.

Polaryzacja kołowa jest tworzona przez dwie liniowo spolaryzowane fale świetlne, spolaryzowane prostopadle do siebie, z których każda rozchodzi się o 90 stopni w przeciwfazie. Polaryzacja eliptyczna ma miejsce, gdy jedna z tych fal świetlnych ma mniejszą amplitudę niż druga, tworząc elipsę, a nie koło.