โพลาไรเซชันของแสง: ความหมาย การสะท้อน การหักเหและการกระเจิง

คุณอาจสวมแว่นกันแดดโพลาไรซ์ แต่สิ่งนี้หมายความว่าอย่างไร ต่างจากแว่นกันแดดประเภทอื่นอย่างไร และทำไมจึงมีประโยชน์ โพลาไรเซชันในแง่ของแสงหมายถึงกระบวนการปรับทิศทางหรือกรองคลื่นแสงในทิศทางเดียว ซึ่งส่งผลต่อสิ่งที่คุณมองเห็น

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นตามขวางที่ประกอบด้วยคลื่นสนามไฟฟ้าที่สั่นในระนาบ ตั้งฉาก (ที่มุมฉาก) กับคลื่นสนามแม่เหล็กซึ่งทั้งสองตั้งฉากกับทิศทางของ การเคลื่อนไหว

เนื่องจากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทำหน้าที่เป็นคลื่น ดังนั้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือคลื่นแสงใดๆ จึงจะมีความถี่และความยาวคลื่นที่เกี่ยวข้องกัน ผลคูณของความยาวคลื่นและความถี่คือความเร็วคลื่น

อย่างไรก็ตาม คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ต้องการตัวกลางในการแพร่กระจาย ดังนั้นจึงสามารถ สำรวจสูญญากาศของพื้นที่ว่าง (ซึ่งพวกเขาทำที่ความเร็วแสง – ความเร็วที่เร็วที่สุดใน จักรวาล).

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีหลากหลายรูปแบบ รวมทั้งคลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ รังสีอินฟราเรด แสงที่มองเห็นได้ รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมา

นอกจากนี้ เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแนวขวางโดยมีแอมพลิจูดตั้งฉากกับทิศทางของการเคลื่อนที่ จึงสามารถโพลาไรซ์ได้ – มีระนาบที่เป็นไปได้หลายระนาบตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ แต่คลื่นโพลาไรซ์จะมีแอมพลิจูดตามขวางในหนึ่ง พวกเขา คลื่นตามยาว เช่น คลื่นเสียง มีการกระจัดในทิศทางของการเคลื่อนไหวเท่านั้น ดังนั้นจึงไม่สามารถโพลาไรซ์ได้

คลื่นแสงที่ไม่มีโพลาไรซ์มีทิศทางซ้อนทับกันหลายทิศทาง คลื่นแสงมีทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ซึ่งจะทำมุมฉากซึ่งกันและกันเสมอ โดยหลักการแล้ว โพลาไรเซชันถูกกำหนดโดยทิศทางของสนามไฟฟ้า เมื่อมองไปข้างหน้า เราอาจเห็นเวกเตอร์สนามไฟฟ้าชี้ไปในทิศทางต่างๆ กัน

เมื่อแสงส่องผ่านโพลาไรเซอร์หรือฟิลเตอร์โพลาไรซ์ ฟิลเตอร์จะยอมให้เฉพาะส่วนของแสงที่มีเส้นสนามไฟฟ้าขนานไปกับฟิลเตอร์เท่านั้นที่จะผ่านไปได้ เป็นผลให้แสงกลายเป็นโพลาไรซ์ - ทั้งหมดไปในทิศทางเดียวกัน นี่คือโพลาไรซ์เชิงเส้น

แสงที่มาจากหลอดไฟหรือดวงอาทิตย์ไม่มีขั้ว แหล่งกำเนิดแสงโพลาไรซ์ที่พบบ่อยที่สุดคือเลเซอร์ หากฟิลเตอร์โพลาไรซ์สองตัวถูกยึดไว้ที่มุมฉากต่อกันที่ด้านหน้าแหล่งกำเนิดแสงที่ตกกระทบ แสงทั้งหมดจะถูกปิดกั้น ถ้ามุมนั้นเล็กกว่า (เช่น 45 องศา) แสงบางส่วนเท่านั้นที่ถูกบล็อก

โพลาไรซ์แสงมีสามประเภท: รีเฟล็กเตอร์ ไดโครอิก และไบรีฟริงเจน โพลาไรซ์สะท้อนแสงยอมให้แสงโพลาไรซ์บางส่วนผ่านเท่านั้น ในขณะที่สะท้อนแสงส่วนที่เหลือ โพลาไรซ์แบบไดโครอิกทำตรงกันข้าม โดยจะปิดกั้นการโพลาไรซ์ของแสงในขณะที่ปล่อยให้ส่วนอื่นๆ ทั้งหมดผ่านไปได้ ในการหักเหของแสงสองขั้ว แสงโพลาไรซ์ที่แตกต่างกันจะหักเหที่มุมต่างๆ ซึ่งช่วยให้สามารถเลือกแสงโพลาไรซ์ที่แตกต่างกันได้ขึ้นอยู่กับว่าต้องการโพลาไรซ์แบบใด

โพลาไรซ์แสงเป็นการฉายภาพยนตร์ในรูปแบบ 3 มิติ แว่นตา 3D ที่มอบให้แก่ผู้ชมภาพยนตร์มีฟิลเตอร์โพลาไรซ์ที่ตรงกันข้ามกันในแต่ละเลนส์ ตัวกรองแนวนอนทางด้านซ้ายและตัวกรองแนวตั้งทางด้านขวา เป็นต้น จากนั้นภาพยนตร์จะฉายบนหน้าจอเดียวกันจากโปรเจคเตอร์สองเครื่องที่แตกต่างกัน โดยเครื่องหนึ่งฉายแสงโพลาไรซ์ในแนวตั้ง และอีกเครื่องฉายแสงโพลาไรซ์ในแนวนอน จากนั้นตาซ้ายเห็นภาพที่ต่างจากตาขวาเล็กน้อย และสมองจะรวมภาพเพื่อสร้างการรับรู้ถึงความลึก

เมื่อลำแสงตกกระทบบนพื้นผิวของวัสดุ แสงบางส่วนจะสะท้อนกลับและบางส่วนหักเหแสง (เดินทางผ่านวัสดุ) มุมของแสงตกกระทบที่ต้องการสำหรับแสงสะท้อนและแสงหักเหเพื่อให้ได้มุมฉากที่ถูกต้องเรียกว่ามุมของบรูว์สเตอร์

เมื่อมุมตกกระทบเท่ากับมุมของบริวสเตอร์ (ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของตัวกลางบน ด้านข้างของพื้นผิว) และแสงตกกระทบไม่มีโพลาไรซ์ จะทำให้เกิดการโพลาไรซ์เชิงเส้นของแสงสะท้อน เบา. หากแสงตกกระทบมีโพลาไรซ์เฉพาะเจาะจง โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับวัสดุ แสงนั้นจะหักเหโดยไม่มีแสงสะท้อนเลย

ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น? เมื่ออะตอมในพื้นผิวของวัสดุดูดซับแสงที่ตกกระทบชั่วคราว อิเล็กตรอนในอะตอมของวัสดุจะสั่น เนื่องจากคลื่นแสงเป็นแนวขวาง โพลาไรซ์จึงต้องตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น ดังนั้นถ้าโพลาไรเซชันของคลื่นตกกระทบอยู่ในทิศทางที่คลื่นสะท้อนควรเป็น คลื่นสะท้อนก็จะไม่มีอยู่จริง

หากแสงตกกระทบไม่มีโพลาไรซ์ แสงสะท้อนจะถูกโพลาไรซ์ในแนวนอนขนานกับพื้นผิวสะท้อนแสง สิ่งนี้เรียกว่าแสงโพลาไรซ์ แสงที่มีโพลาไรซ์ในระนาบอุบัติการณ์หรือระนาบที่เกิดจากทิศทางการเคลื่อนที่ของแสงตกกระทบและเวกเตอร์ตั้งฉากกับพื้นผิวเรียกว่า p-polarized

แว่นกันแดดโพลาไรซ์ใช้แนวคิดเรื่องมุมของบรูว์สเตอร์เพื่อลดการสะท้อนแสงแดดจากพื้นผิวแนวนอน เมื่อดวงอาทิตย์อยู่ในท้องฟ้าต่ำ จะมีแสงโพลาไรซ์จำนวนมากในแสงสะท้อนจากพื้นผิวต่างๆ เช่น น้ำและถนน แว่นกันแดดโพลาไรซ์บล็อกแสงที่มีโพลาไรซ์นี้ ลดแสงสะท้อน

การกระเจิงของแสงตกกระทบจากโมเลกุลของอากาศทำให้แสงมีโพลาไรซ์เป็นเส้นตรงตั้งฉากกับระนาบของอุบัติการณ์ โมเลกุลของอากาศเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียว เรียกว่าโมเมนต์ไดโพล และแผ่พลังงานในแนวตั้งฉากกับเส้นของการแกว่งนั้น ดังนั้นถ้าโมเมนต์ไดโพลของโมเลกุลแกว่งไปมาบน y- แกน แสงที่ไม่มีขั้วตกกระทบจะกระเจิงออกไปใน x-ทิศทางโพลาไรซ์ใน y-ทิศทาง (ขนานกับไดโพล).

หากความยาวคลื่นของแสงตกกระทบเทียบได้กับขนาดของโมเลกุล สิ่งนี้เรียกว่าการกระเจิงของรังสีเรย์ลี การกระเจิงของ Rayleigh มีส่วนรับผิดชอบต่อสีของท้องฟ้า ไม่ว่าจะเป็นสีน้ำเงินเข้มของวันที่สวยงามหรือสีแดงเข้มของพระอาทิตย์ตก สีจะเปลี่ยนไปตามมุมตกกระทบของแสงแดดในบรรยากาศ

โพลาไรซ์ยังสามารถเกิดขึ้นได้จากการหักเหของแสง หรือการโค้งงอของแสงเมื่อผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลาง ส่วนใหญ่แล้วโพลาไรซ์จะเกิดขึ้นในแนวตั้งฉากกับพื้นผิว

เมื่อดัชนีการหักเหของแสงของวัสดุขึ้นอยู่กับทิศทางการตกกระทบและโพลาไรเซชันของแสง จะเรียกว่าไบรีฟริงเจนต์ ในวัสดุ birefringent รังสีตกกระทบจะถูกแยกออกโดยโพลาไรเซชันเป็นรังสีสองเส้นภายในวัสดุซึ่งมีเส้นทางต่างกันเล็กน้อย

นักวิทยาศาสตร์บางคนสงสัยว่าคริสตัลชนิดไบรีฟรินเจนต์ที่เรียกว่า "แคลไซต์" อาจถูกใช้โดยพวกไวกิ้งเป็น เครื่องช่วยการเดินเรือ เนื่องจากคุณสมบัติการหักเหของแสงโพลาไรซ์สามารถใช้เพื่อค้นหาตำแหน่งของดวงอาทิตย์ในวันที่มีเมฆมาก หรือแม้แต่ต่ำกว่า ขอบฟ้า

โพลาไรซ์แบบวงกลมเป็นสถานะโพลาไรซ์ที่ทิศทางของสนามไฟฟ้าหมุนเป็นวงกลมตามเวลาในอัตราคงที่ในระนาบตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจาย สิ่งนี้สามารถจินตนาการได้เมื่อเวกเตอร์สนามไฟฟ้าวาดเกลียวรอบแกนของการแพร่กระจายเมื่อคลื่นแพร่กระจาย (โพลาไรซ์วงรีซึ่งเกลียวถูกบีบเล็กน้อยในมิติเดียวก็เป็นไปได้เช่นกัน)

ถ้าในขณะที่มองไปในทิศทางของแหล่งกำเนิดแสง เวกเตอร์สนามไฟฟ้าดูเหมือนหมุนทวนเข็มนาฬิกา จะเรียกว่าแสงโพลาไรซ์ในวงขวา หากเวกเตอร์หมุนตามเข็มนาฬิกา จะเรียกว่าแสงโพลาไรซ์แบบวงกลมด้านซ้าย

โพลาไรซ์แบบวงกลมถูกสร้างขึ้นโดยคลื่นแสงโพลาไรซ์เชิงเส้นสองคลื่น โพลาไรซ์ตั้งฉากกัน และแต่ละคลื่นแผ่ออกไป 90 องศานอกเฟส โพลาไรเซชันแบบวงรีเกิดขึ้นเมื่อหนึ่งในคลื่นแสงเหล่านี้มีแอมพลิจูดน้อยกว่าอีกคลื่นหนึ่ง ทำให้เกิดวงรีแทนที่จะเป็นวงกลม