Polarisering av ljus: Definition, reflektion, brytning och spridning

Du kan ha ett par polariserade solglasögon, men vad betyder det? Hur skiljer de sig från andra typer av solglasögon, och varför är de användbara? Polarisering, i termer av ljus, avser processen att orientera eller filtrera ljusvågor i en enda riktning, vilket påverkar vad du kan se.

En elektromagnetisk våg är en tvärgående våg som består av en elektrisk fältvåg som svänger i ett plan vinkelrätt (i rät vinkel) mot en magnetfältvåg, som båda är vinkelräta mot riktningen av rörelse.

Eftersom elektromagnetisk strålning fungerar som en våg, kommer varje speciell elektromagnetisk våg eller ljusvåg att ha en frekvens och våglängd associerad med den. Produkten av våglängden och frekvensen är våghastigheten.

Emellertid kräver elektromagnetiska vågor inte ett medium för att sprida sig, och kan därför korsa vakuumet i det tomma utrymmet (vilket de gör med ljusets hastighet - den snabbaste hastigheten i universum).

Elektromagnetiska vågor finns i många varianter, inklusive radiovågor, mikrovågor, infraröd strålning, synligt ljus, ultraviolett strålning, röntgen och gammastrålning.

Dessutom, eftersom en elektromagnetisk våg är tvärgående med amplitud vinkelrätt mot rörelseriktningen, kan den polariseras - det finns många möjliga plan vinkelrätt mot rörelseriktningen, men en polariserad våg har tvärgående amplitud i endast ett av dem. Längsvågor som ljudvågor har bara förskjutning i rörelseriktningen och därför kan de inte polariseras.

Opolariserade ljusvågor har flera överlagrade orienteringar. Ljusvågor har både elektriska och magnetiska fält, alltid i rät vinkel mot varandra - enligt konvention definieras polarisering av det elektriska fältets riktning. Ser vi framåt ser vi kanske de elektriska fältvektorerna pekar i alla olika riktningar.

När ljus passerar genom en polarisator eller polariserande filter, låter filtret endast den del av ljuset med elektriska fältlinjer orienterade parallellt med filtret passera igenom. Som ett resultat blir ljuset polariserat - allt orienterat i samma riktning. Detta är linjär polarisering.

Ljus som kommer från glödlampor eller solen är inte polariserat. De vanligaste källorna till polariserat ljus är lasrar. Om två polariserande filter hålls i rät vinkel mot varandra framför en infallande ljuskälla, kommer allt ljus att blockeras. Om vinkeln är mindre (till exempel 45 grader) blockeras bara en del av ljuset.

Ljuspolarisatorer finns i tre typer: reflekterande, dikroiska och dubbelbrytande. Reflekterande polarisatorer tillåter bara en viss polarisering av ljus att passera genom samtidigt som de reflekterar resten. dikroiska polarisatorer gör det motsatta och blockerar bara en viss polarisering av ljus samtidigt som de låter alla andra passera igenom. I dubbelbrytning bryts olika polarisationer av ljus i olika vinklar, vilket möjliggör att olika polarisationer av ljus kan väljas beroende på vilken polarisation som önskas.

Ljuspolarisering är hur filmer projiceras i 3D. 3D-glasögonen som ges till filmbesökare har faktiskt motsatta polariserande filter i varje lins; till exempel ett horisontellt filter till vänster och ett vertikalt filter till höger. Filmen projiceras sedan på samma skärm från två olika projektorer, ett projicerande ljus polariserat vertikalt och ett projicerande ljus polariserat horisontellt. Vänster öga ser då en något annorlunda bild än höger öga, och hjärnan kombinerar bilderna för att skapa en uppfattning om djup.

När en ljusstråle infaller på en yta av ett material reflekteras en del av ljuset och en del av det bryts (det färdas genom materialet). Vinkeln för infallande ljus som krävs för att det reflekterade ljuset och brytbart ljus ska vara i exakt rätt vinkel kallas Brewsters vinkel.

När infallsvinkeln är lika med Brewsters vinkel (beroende på kompositionerna av mediet på endera sidan av ytan) och det infallande ljuset är opolariserat kommer det att orsaka linjär polarisering av det reflekterade ljus. Om det infallande ljuset har en specifik polarisation, särskilt för materialet, bryts det bara utan reflekterat ljus alls.

Varför händer detta? När det infallande ljuset tillfälligt absorberas av atomerna i materialets yta, svänger elektronerna i materialets atomer. Eftersom ljusvågor är tvärgående måste polarisationen vara vinkelrät mot vågens rörelseriktning. Så om polariseringen av den infallande vågen är i den riktning som den reflekterade vågen ska vara, kan den reflekterade vågen inte existera.

Om det infallande ljuset är opolariserat kommer det reflekterade ljuset att polariseras horisontellt, parallellt med den reflekterande ytan. Detta kallas s-polariserat ljus. Ljus med polarisering i infallningsplanet, eller planet som bildas från det infallande ljusets rörelseriktning och en vektor vinkelrät mot ytan, kallas p-polariserad.

Polariserade solglasögon använder begreppet Brewsters vinkel för att minska solljusreflektion från horisontella ytor. När solen är låg på himlen finns det mycket s-polariserat ljus i reflekterad bländning från ytor som vatten och vägar. Polariserade solglasögon blockerar ljus med denna polarisering, vilket minskar bländningen.

Spridningen av infallande ljus från luftmolekyler gör att ljuset polariseras linjärt vinkelrätt mot infallets plan. Luftmolekyler bär sin egen lilla svängning i en riktning, känd som ett dipolmoment, och de utstrålar energi vinkelrätt mot linjen för den svängningen. Så om en molekyls dipolmoment svänger fram och tillbaka på y-axel, infallande opolariserat ljus kommer att spridas bort i det x-riktning, polariserad i y-riktning (parallellt med dipolen).

Om våglängden för det infallande ljuset är jämförbar med molekylernas storlek kallas detta Rayleigh-spridning. Rayleigh-spridning är ansvarig för himmelens färg, oavsett om det är en djupblå av en vacker dag eller den djupröda av en solnedgång; färgerna ändras beroende på solljusets infallsvinkel på atmosfären.

Polarisering kan också ske genom brytning eller böjning av ljus när det passerar från ett medium till ett annat. Oftast sker polarisationen vinkelrätt mot ytan.

När ett materials brytningsindex beror på ljusets infallningsriktning och polarisering kallas det dubbelbrytande. I dubbelbrytande material delas en infallande ljusstråle genom polarisering i två strålar inuti materialet, som tar lite olika vägar.

Vissa forskare misstänker att en dubbelbrytande typ av kristall som kallas "kalcit" kan ha använts av vikingarna som en navigationshjälpmedel, eftersom dess brytnings polariserande egenskaper kan användas för att lokalisera solen på en molnig dag eller till och med under horisont.

Cirkulär polarisering är ett polarisationstillstånd i vilket det elektriska fältets riktning roterar cirkulärt med tiden med en jämn hastighet i ett plan vinkelrätt mot utbredningsriktningen. Detta kan föreställas när den elektriska fältvektorn drar ut en spiral runt utbredningsaxeln när vågen sprids. (Elliptisk polarisering, där spiralen är lätt klämd i en dimension, är också möjlig.)

Om den elektriska fältvektorn verkar rotera moturs medan du tittar i ljuskällans riktning, kallas ljuset höger-cirkulärt polariserat. Om vektorn verkar rotera medurs kallas ljuset vänster-cirkulärt polariserat.

Cirkulär polarisering skapas av två linjärt polariserade ljusvågor, polariserade vinkelrätt mot varandra, och var och en utbreder sig 90 grader ur fas. Elliptisk polarisering är när en av dessa ljusvågor har en mindre amplitud än den andra, vilket skapar en ellips snarare än en cirkel.