Поляризація світла: визначення, відбиття, заломлення та розсіювання

Ви можете носити пару поляризованих сонцезахисних окулярів, але що це означає? Чим вони відрізняються від інших типів сонцезахисних окулярів і чому вони корисні? Поляризація, що стосується світла, відноситься до процесу орієнтації або фільтрації світлових хвиль в одному напрямку, що впливає на те, що ви можете бачити.

Електромагнітна хвиля - це поперечна хвиля, що складається з хвилі електричного поля, що коливається в площині перпендикулярно (під прямим кутом) хвилі магнітного поля, обидві перпендикулярні напрямку руху.

Оскільки електромагнітне випромінювання діє як хвиля, то будь-яка конкретна електромагнітна хвиля чи світлова хвиля матимуть з ними пов'язану частоту та довжину хвилі. Добутом довжини хвилі та частоти є швидкість хвилі.

Однак електромагнітні хвилі не потребують середовища, через яке можна поширюватися, а отже, можуть пройти вакуум порожнього простору (що вони роблять зі швидкістю світла - найшвидша швидкість у Всесвіт).

Електромагнітні хвилі бувають багатьох різновидів, включаючи радіохвилі, мікрохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівські та гамма-промені.

Крім того, оскільки електромагнітна хвиля є поперечною з амплітудою, перпендикулярною напрямку руху, її можна поляризувати - існує багато можливих площин, перпендикулярних до напрямку руху, але поляризована хвиля матиме поперечну амплітуду лише в одній з їх. Поздовжні хвилі, такі як звукові хвилі, мають зміщення лише у напрямку руху, і тому їх не можна поляризувати.

Неполяризовані світлові хвилі мають кілька накладених орієнтацій. Світлові хвилі мають як електричне, так і магнітне поля, завжди під прямим кутом один до одного - за домовленістю поляризація визначається напрямком електричного поля. Дивлячись головою, ми можемо побачити вектори електричного поля, спрямовані в різні сторони.

Коли світло проходить через поляризатор або поляризуючий фільтр, фільтр пропускає лише ту частину світла з лініями електричного поля, орієнтовану паралельно фільтру. В результаті світло стає поляризованим - все воно орієнтоване в одному напрямку. Це лінійна поляризація.

Світло, що надходить від лампочок або сонця, не поляризоване. Найпоширенішими джерелами поляризованого світла є лазери. Якщо два поляризаційні фільтри утримуються під прямим кутом один до одного перед падаючим джерелом світла, все світло буде заблоковано. Якщо кут менший (наприклад, 45 градусів), блокується лише частина світла.

Поляризатори світла бувають трьох типів: відбиваючі, дихроїчні та двопроменезаломлюючі. Відбивні поляризатори дозволяють проходити лише певній поляризації світла, відображаючи решту; дихроїчні поляризатори роблять протилежне, лише блокуючи певну поляризацію світла, дозволяючи всім іншим пройти крізь них. При дволучезаломленні різні поляризації світла будуть заломлюватися під різними кутами, дозволяючи вибирати різні поляризації світла залежно від бажаної поляризації.

Поляризація світла - це спосіб проектування відео у форматі 3D. 3D-окуляри, що передаються відвідувачам кіно, насправді мають протилежні поляризаційні фільтри в кожній лінзі; наприклад, горизонтальний фільтр ліворуч і вертикальний фільтр праворуч. Потім фільм проектується на той самий екран із двох різних проекторів, один проектує світло, поляризоване вертикально, і одне, що проектує світло, поляризоване горизонтально. Потім ліве око бачить дещо інше зображення, ніж праве, і мозок поєднує зображення, щоб створити сприйняття глибини.

Коли промінь світла падає на поверхню матеріалу, частина світла відбивається, а частина заломлюється (воно проходить через матеріал). Кут падаючого світла, необхідний для того, щоб відбите світло і заломлене світло були під прямим прямим кутом, називається кутом Брюстера.

Коли кут падіння дорівнює куту Брюстера (залежно від складу середовищ на будь-якій сторони поверхні), а падаюче світло неполяризоване, це призведе до лінійної поляризації відбитого світло. Якщо падаюче світло має специфічну поляризацію, особливо для матеріалу, воно буде заломлюватися лише без відбитого світла.

Чому так трапляється? Коли падаюче світло тимчасово поглинається атомами на поверхні матеріалу, електрони в атомах матеріалу коливаються. Оскільки світлові хвилі поперечні, поляризація повинна бути перпендикулярна напрямку руху хвилі. Отже, якщо поляризація падаючої хвилі знаходиться в тому напрямку, в якому повинна бути відбита хвиля, відбита хвиля не може існувати.

Якщо падаюче світло неполяризоване, відбите світло буде поляризовано горизонтально, паралельно відбивальній поверхні. Це називається s-поляризованим світлом. Світло з поляризацією в площині падіння або площину, утворену від напрямку руху падаючого світла і вектором, перпендикулярним поверхні, називають р-поляризованим.

Поляризовані сонцезахисні окуляри використовують концепцію кута Брюстера, щоб зменшити відбиття сонячного світла від горизонтальних поверхонь. Коли сонце низько на небі, у відбитих відблисках від таких поверхонь, як вода та дороги, є багато s-поляризованого світла. Поляризовані сонцезахисні окуляри блокують світло, що має цю поляризацію, зменшуючи відблиски.

Розсіювання падаючого світла на молекулах повітря спричиняє лінійну поляризацію світла перпендикулярно площині падіння. Молекули повітря несуть своє власне невелике коливання в одному напрямку, відоме як дипольний момент, і вони випромінюють енергію, перпендикулярну лінії цього коливання. Отже, якщо дипольний момент молекули коливається вперед і назад на р-ось, падаюче неполяризоване світло буде розсіюватися від нього в х-напрямок, поляризований в р-напрямок (паралельний диполю).

Якщо довжина хвилі падаючого світла порівнянна з розміром молекул, це називається релеївським розсіянням. Релеєве розсіяння відповідає за колір неба, незалежно від того, чи це темно-синій колір прекрасного дня чи насичено-червоний захід сонця; кольори змінюються залежно від кута падіння сонячного світла на атмосферу.

Поляризація також може відбуватися заломленням або згинанням світла, коли воно переходить з одного середовища в інше. Найчастіше поляризація відбувається перпендикулярно поверхні.

Коли показник заломлення матеріалу залежить від напрямку падіння та поляризації світла, його називають двозаломлюючим. У двозаломлюючих матеріалах падаючий промінь світла розділяється поляризацією на два промені всередині матеріалу, які проходять дещо різні шляхи.

Деякі вчені підозрюють, що двозаломлюючий тип кристалів під назвою "кальцит", можливо, використовувався вікінгами як навігаційну допомогу, оскільки його заломлюючі поляризуючі властивості можуть бути використані для розташування сонця в похмурий день або навіть нижче горизонт.

Кругова поляризація - це стан поляризації, при якому напрямок електричного поля обертається по колу з часом зі стабільною швидкістю в площині, перпендикулярній напрямку поширення. Це можна уявити як вектор електричного поля, що витягує спіраль навколо осі поширення, коли хвиля поширюється. (Можлива також еліптична поляризація, при якій спіраль злегка стискається в одному вимірі.)

Якщо, дивлячись у напрямку джерела світла, вектор електричного поля, здається, обертається проти годинникової стрілки, світло називається право-циркулярно поляризованим. Якщо, здається, вектор обертається за годинниковою стрілкою, світло називається поляризованим лівоциркулярно.

Кругова поляризація створюється двома лінійно поляризованими світловими хвилями, поляризованими перпендикулярно одна одній і кожна, що поширюється на 90 градусів поза фазою. Еліптична поляризація - це коли одна з цих світлових хвиль має меншу амплітуду, ніж інша, створюючи еліпс, а не коло.