Polarizacija svetlobe: definicija, odsev, lom in razprševanje

Morda boste nosili polarizirana sončna očala, a kaj to pomeni? V čem se razlikujejo od drugih vrst sončnih očal in zakaj so koristna? Polarizacija se glede na svetlobo nanaša na postopek orientacije ali filtriranja svetlobnih valov v eni smeri, kar vpliva na to, kar lahko vidite.

Elektromagnetni val je prečni val, sestavljen iz vala električnega polja, ki niha v ravnini pravokotno (pod pravim kotom) na val magnetnega polja, ki sta pravokotna na smer gibanje.

Ker elektromagnetno sevanje deluje kot val, bo s katerim koli elektromagnetnim valom ali svetlobnim valom povezana frekvenca in valovna dolžina. Zmnožek valovne dolžine in frekvence je valovna hitrost.

Vendar elektromagnetni valovi ne potrebujejo medija, skozi katerega se lahko širijo, in zato lahko prečkajo vakuum praznega prostora (kar počnejo s svetlobno hitrostjo - najhitrejša hitrost v vesolje).

Elektromagnetni valovi so različnih vrst, vključno z radijskimi valovi, mikrovalovi, infrardečim sevanjem, vidno svetlobo, ultravijoličnim sevanjem, rentgenskimi žarki in gama žarki.

Poleg tega je elektromagnetno valovanje prečno z amplitudo, pravokotno na smer gibanja, zato je lahko polarizirano - obstaja veliko možnih ravnin pravokotno na smer gibanja, toda polarizirani val bo imel prečno amplitudo samo v enem od njim. Vzdolžni valovi, kot so zvočni valovi, se premikajo le v smeri gibanja, zato jih ni mogoče polarizirati.

Nepolarizirani svetlobni valovi imajo več usmerjenih usmeritev. Svetlobni valovi imajo tako električno kot magnetno polje, ki sta vedno pravokotno med seboj - po dogovoru je polarizacija določena s smerjo električnega polja. Če pogledamo na glavo, lahko vidimo vektorje električnega polja, ki kažejo v vse različne smeri.

Ko svetloba prehaja skozi polarizator ali polarizacijski filter, filter prepušča le tisti del svetlobe s črtami električnega polja, usmerjenimi vzporedno s filtrom. Posledično se svetloba polarizira - vsa je usmerjena v isto smer. To je linearna polarizacija.

Svetloba, ki prihaja iz žarnic ali sonca, ni polarizirana. Najpogostejši viri polarizirane svetlobe so laserji. Če se dva polarizacijska filtra držita pravokotno drug pred drugim pred vpadnim svetlobnim virom, bo vsa svetloba blokirana. Če je kot manjši (na primer 45 stopinj), se blokira le nekaj svetlobe.

Polarizatorji svetlobe so na voljo v treh vrstah: odsevni, dikroični in dvolomni. Odsevni polarizatorji omogočajo le določeno polarizacijo svetlobe, medtem ko odbijajo ostalo; dikroični polarizatorji delajo nasprotno, le blokirajo določeno polarizacijo svetlobe, hkrati pa omogočajo prehod vsem ostalim. Pri dvojnem lomljenju se bodo različne polarizacije svetlobe lomile pod različnimi koti, kar bo omogočilo izbiro različnih polarizacij svetlobe, odvisno od želene polarizacije.

Polarizacija svetlobe je način, kako filme projiciramo v 3D. 3D očala, ki jih dobijo gledalci filmov, imajo v vsaki leči dejansko nasprotne polarizacijske filtre; vodoravni filter na levi in ​​navpični na desni, na primer. Film se nato na isti zaslon projicira iz dveh različnih projektorjev, pri čemer eden projicira svetlobo polarizirano in drugo vodoravno polarizira. Levo oko nato vidi nekoliko drugačno sliko kot desno oko, možgani pa slike združijo, da ustvarijo zaznavanje globine.

Ko svetlobni žarek pada na površino materiala, se del svetlobe odbije, nekaj pa se lomi (potuje skozi material). Kot vpadne svetlobe, potreben, da bi bila odbojna in lomljena svetloba natančno prava, se imenuje Brewsterjev kot.

Ko je vpadni kot enak Brewsterjevemu kotu (odvisno od sestave medijev na obeh stran površine) in vpadna svetloba je nepolarizirana, kar bo povzročilo linearno polarizacijo odbitega svetloba. Če ima vpadna svetloba specifično polarizacijo, zlasti glede na material, se bo lomila le brez odsevne svetlobe.

Zakaj se to zgodi? Ko vpadno svetlobo začasno absorbirajo atomi na površini materiala, elektroni v atomih materiala nihajo. Ker so svetlobni valovi prečni, mora biti polarizacija pravokotna na smer gibanja vala. Torej, če je polarizacija vpadnega vala v smeri, v katero bi moral biti odbiti val, odbiti val ne more obstajati.

Če je vpadna svetloba nepolarizirana, bo odbojna svetloba polarizirana vodoravno, vzporedno z odsevno površino. To se imenuje s-polarizirana svetloba. Svetloba s polarizacijo v padajoči ravnini ali ravnina, ki nastane iz smeri gibanja vpadne svetlobe in vektorja, pravokotnega na površino, se imenuje p-polarizirana.

Polarizirana sončna očala uporabljajo koncept Brewsterjevega kota za zmanjšanje odboja sončne svetlobe od vodoravnih površin. Ko je sonce nizko na nebu, je v odsevnem bleščanju s površin, kot so voda in ceste, veliko s-polarizirane svetlobe. Polarizirana sončna očala blokirajo svetlobo s to polarizacijo in zmanjšajo bleščanje.

Zaradi sipanja padajoče svetlobe iz molekul zraka je svetloba linearno polarizirana pravokotno na vpadno ravnino. Molekule zraka nosijo svoje majhno nihanje v eni smeri, znano kot dipolni trenutek, in oddajajo energijo pravokotno na črto tega nihanja. Torej, če dipolni moment molekule niha naprej in nazaj na y-os, v njej se bo razpršila nepolarizirana svetloba x-smer, polariziran v y-smer (vzporedno z dipolom).

Če je valovna dolžina vpadne svetlobe primerljiva z velikostjo molekul, se to imenuje Rayleighovo sipanje. Rayleighovo sipanje je odgovorno za barvo neba, ne glede na to, ali gre za temno modro lepega dne ali za temno rdečo sončnega zahoda; barve se spreminjajo glede na kot upada sončne svetlobe v ozračje.

Polarizacija se lahko pojavi tudi z lomom ali upogibanjem svetlobe, ko prehaja iz enega medija v drugega. Najpogosteje se polarizacija pojavi pravokotno na površino.

Ko je lomni količnik materiala odvisen od smeri padca in polarizacije svetlobe, se imenuje dvolomni. V dvolomnih materialih se vpadni svetlobni žarek s polarizacijo razdeli na dva žarka znotraj materiala, ki zavijeta nekoliko drugačno pot.

Nekateri znanstveniki sumijo, da so Vikingi morda uporabljali dvolomno vrsto kristala, imenovano "kalcit", navigacijski pripomoček, saj se lahko njegove lomne polarizacijske lastnosti uporabljajo za lociranje sonca v oblačnem dnevu ali celo pod obzorje.

Krožna polarizacija je polarizacijsko stanje, pri katerem se smer električnega polja s časom enakomerno vrti v enakomerni hitrosti v ravnini, pravokotni na smer širjenja. To si lahko predstavljamo kot vektor električnega polja, ki med širjenjem vala nariše vijačnico okoli osi širjenja. (Možna je tudi eliptična polarizacija, pri kateri je vijačnica v eni dimenziji rahlo zmečkana.)

Če se med gledanjem v smeri svetlobnega vira zdi, da se vektor električnega polja vrti v nasprotni smeri urnega kazalca, se svetloba imenuje desno krožno polarizirana. Če se zdi, da se vektor vrti v smeri urnega kazalca, se svetloba imenuje levo krožno polarizirana.

Krožno polarizacijo ustvarjata dva linearno polarizirana svetlobna vala, polarizirana pravokotno drug na drugega in se vsak širi za 90 stopinj izven faze. Eliptična polarizacija je, kadar ima eden od teh svetlobnih valov manjšo amplitudo kot drugi, kar ustvarja elipso in ne krog.