S-ar putea să purtați o pereche de ochelari de soare polarizați, dar ce înseamnă asta? În ce fel sunt diferite de alte tipuri de ochelari de soare și de ce sunt utile? Polarizarea, în ceea ce privește lumina, se referă la procesul de orientare sau filtrare a undelor luminoase într-o singură direcție, care afectează ceea ce puteți vedea.
Lumina ca unde electromagnetice
O undă electromagnetică este o undă transversală care constă dintr-o undă de câmp electric care oscilează într-un plan perpendicular (în unghi drept) cu o undă de câmp magnetic, ambele fiind perpendiculare pe direcția mişcare.
Deoarece radiația electromagnetică acționează ca o undă, atunci orice undă electromagnetică specială sau undă luminoasă va avea o frecvență și o lungime de undă asociate cu aceasta. Produsul lungimii de undă și al frecvenței este viteza de undă.
Cu toate acestea, undele electromagnetice nu necesită un mediu prin care să se propage și, prin urmare, pot traversează vidul spațiului gol (pe care îl fac cu viteza luminii - cea mai rapidă viteză din univers).
Undele electromagnetice vin în multe varietăți, inclusiv unde radio, microunde, radiații infraroșii, lumină vizibilă, radiații ultraviolete, raze X și raze gamma.
În plus, deoarece o undă electromagnetică este transversală cu amplitudine perpendiculară pe direcția de mișcare, ea poate fi polarizată - există multe planuri posibile perpendiculare pe direcția de mișcare, dar o undă polarizată va avea amplitudine transversală doar într-una din lor. Undele longitudinale, cum ar fi undele sonore, au deplasare numai în direcția mișcării și, prin urmare, nu pot fi polarizate.
Polarizarea luminii
Undele de lumină nepolarizate au multiple orientări suprapuse. Undele luminoase au atât câmpuri electrice, cât și câmpuri magnetice, întotdeauna în unghi drept între ele - prin convenție, polarizarea este definită de direcția câmpului electric. Privind în față, am putea vedea vectorii câmpului electric îndreptați în toate direcțiile diferite.
Când lumina este trecută printr-un polarizator sau un filtru polarizant, filtrul lasă să treacă doar porțiunea de lumină cu linii de câmp electric orientate paralel cu filtrul. Ca urmare, lumina devine polarizată - orientată în aceeași direcție. Aceasta este polarizarea liniară.
Lumina provenită de la becuri sau de la soare nu este polarizată. Cele mai comune surse de lumină polarizată sunt laserele. Dacă două filtre polarizante sunt ținute în unghi drept unul față de altul în fața unei surse de lumină incidente, toată lumina va fi blocată. Dacă unghiul este mai mic (45 de grade, de exemplu), doar o parte din lumină este blocată.
Polarizatorii de lumină sunt în trei tipuri: reflectorizant, dicroic și birefringent. Polarizatoarele reflectante permit doar trecerea unei anumite polarizări a luminii, reflectând în același timp restul; polarizatorii dicroici fac contrariul, blocând doar o anumită polarizare a luminii, permițând în același timp tuturor celorlalți să treacă. În birefringență, polarizări diferite ale luminii se vor refracta la unghiuri diferite, permițând selectarea diferitelor polarizări ale luminii în funcție de polarizarea dorită.
Polarizarea luminii este modul în care filmele sunt proiectate în 3D. Ochelarii 3D acordați vizitatorilor de film au de fapt filtre polarizante opuse în fiecare lentilă; un filtru orizontal în stânga și un filtru vertical în dreapta, de exemplu. Filmul este apoi proiectat pe același ecran de la doi proiectoare diferite, unul proiectând lumina polarizată vertical și unul proiectând lumina polarizată orizontal. Ochiul stâng vede apoi o imagine ușor diferită de ochiul drept, iar creierul combină imaginile pentru a crea o percepție a profunzimii.
Unghiul și polarizarea lui Brewster prin reflexie
Când un fascicul de lumină este incident pe o suprafață a unui material, o parte din lumină este reflectată și o parte din aceasta este refractată (se deplasează prin material). Unghiul luminii incidente necesare pentru ca lumina reflectată și lumina refractată să fie la un unghi drept exact se numește unghiul lui Brewster.
Când unghiul de incidență este egal cu unghiul lui Brewster (dependent de compozițiile mediilor de pe oricare dintre ele laterală a suprafeței), iar lumina incidentă este nepolarizată, va provoca polarizarea liniară a reflexului ușoară. Dacă lumina incidentă are o polarizare specifică, specifică materialului, va fi refractată numai fără lumină reflectată deloc.
De ce se întâmplă asta? Când lumina incidentă este absorbită temporar de atomii din suprafața materialului, electronii din atomii materialului oscilează. Deoarece undele luminoase sunt transversale, polarizarea trebuie să fie perpendiculară pe direcția de mișcare a undei. Deci, dacă polarizarea undei incidente este în direcția în care ar trebui să fie unda reflectată, unda reflectată nu poate exista.
Dacă lumina incidentă este nepolarizată, lumina reflectată va fi polarizată orizontal, paralel cu suprafața reflectantă. Aceasta se numește lumină polarizată s. Lumina cu polarizare în planul de incidență, sau planul format din direcția de mișcare a luminii incidente și un vector perpendicular pe suprafață, se numește p-polarizată.
Ochelarii de soare polarizați folosesc conceptul unghiului Brewster pentru a reduce reflexia soarelui de pe suprafețele orizontale. Când soarele este scăzut pe cer, există o mulțime de lumină s-polarizată în strălucirea reflectată de pe suprafețe precum apa și drumurile. Ochelarii de soare polarizați blochează lumina având această polarizare, reducând strălucirea.
Polarizarea prin împrăștiere
Răspândirea luminii incidente de pe moleculele de aer face ca lumina să fie polarizată liniar perpendicular pe planul de incidență. Moleculele de aer poartă propria lor oscilație într-o singură direcție, cunoscută sub numele de moment dipol și radiază energie perpendicular pe linia acelei oscilații. Deci, dacă momentul dipol al unei molecule oscilează înainte și înapoi pe y-axi, lumina nepolarizată incidentă se va împrăștia în ea X-direcție, polarizată în y-direcție (paralelă cu dipolul).
Dacă lungimea de undă a luminii incidente este comparabilă cu dimensiunea moleculelor, aceasta se numește împrăștiere Rayleigh. Răspândirea Rayleigh este responsabilă pentru culoarea cerului, indiferent dacă este vorba de un albastru profund al unei zile frumoase sau de roșu intens al unui apus de soare; culorile se schimbă în funcție de unghiul de incidență al soarelui asupra atmosferei.
Polarizarea prin refracție
Polarizarea poate avea loc și prin refracție sau îndoirea luminii pe măsură ce trece dintr-un mediu în altul. Cel mai adesea, polarizarea are loc perpendicular pe suprafață.
Când indicele de refracție al unui material depinde de direcția incidentă și de polarizarea luminii, acesta se numește birefringent. În materialele birefringente, o rază de lumină incidentă este împărțită prin polarizare în două raze în interiorul materialului, care iau căi ușor diferite.
Unii oameni de știință suspectează că un tip birefringent de cristal numit „calcit” ar fi putut fi folosit de vikingi ca un ajutor de navigație, deoarece proprietățile sale polarizante de refracție ar putea fi utilizate pentru a localiza soarele într-o zi înnorată sau chiar sub orizont.
Polarizarea circulară
Polarizarea circulară este o stare de polarizare în care direcția câmpului electric se rotește circular cu timpul cu o rată constantă într-un plan perpendicular pe direcția de propagare. Acest lucru poate fi imaginat ca vectorul câmpului electric care extrage o helix în jurul axei de propagare pe măsură ce unda se propagă. (Este posibilă și polarizarea eliptică, în care helica este ușor strânsă într-o singură dimensiune.)
Dacă, în timp ce privește în direcția sursei de lumină, vectorul câmpului electric pare să se rotească în sens invers acelor de ceasornic, lumina se numește polarizată circular. Dacă vectorul pare să se rotească în sensul acelor de ceasornic, lumina se numește polarizată circular în stânga.
Polarizarea circulară este creată de două unde de lumină polarizate liniar, polarizate perpendicular una pe cealaltă, și fiecare propagând 90 de grade în fază. Polarizarea eliptică este atunci când una dintre aceste unde luminoase are o amplitudine mai mică decât cealaltă, creând o elipsă mai degrabă decât un cerc.