CO TO JEST ŚWIATŁO SPOLARYZOWANE? - FIZYCZNY - 2025

Światło spolaryzowane to promieniowanie elektromagnetyczne drgające w jednej płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji. Drgania w płaszczyźnie oznaczają, że wektor pola elektrycznego fali świetlnej oscyluje równolegle do przestrzeni dwóch prostokątnych składowych, tak jak w przypadku płaszczyzny polaryzacji xy.

Światło naturalne lub sztuczne to ciąg fal promieniowania elektromagnetycznego, którego pola elektryczne oscylują losowo we wszystkich płaszczyznach prostopadłych do kierunku propagacji. Gdy tylko część promieniowania jest ograniczona do oscylacji w jednej płaszczyźnie, mówi się, że światło jest spolaryzowane.

Fala świetlna spolaryzowana pionowo w płaszczyźnie, gdy niespolaryzowane fale świetlne padają na siatkę polaryzacyjną. Autor: Bob Melish (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wire-grid-polarizer.svg) Wikimedia Commons

Jednym ze sposobów uzyskania światła spolaryzowanego jest uderzenie promienia światła w filtr polaryzacyjny, który składa się ze struktury polimerowej zorientowanej w jednym kierunku, pozwalającej na przejście tylko fal oscylujących w tej samej płaszczyźnie, podczas gdy reszta fal jest absorbowana. .

Promień światła przechodzący przez filtr ma mniejszą intensywność niż promień padający. Ta cecha to sposób na rozróżnienie światła spolaryzowanego od światła niespolaryzowanego. Oko ludzkie nie jest w stanie rozróżnić jednego od drugiego.

Światło może być spolaryzowane liniowo, kołowo lub eliptycznie w zależności od kierunku propagacji fali. Światło spolaryzowane można również uzyskać za pomocą procesów fizycznych, takich jak odbicie, załamanie, dyfrakcja i dwójłomność.

Światło spolaryzowane liniowo

Kiedy pole elektryczne fali świetlnej stale oscyluje, opisując linię prostą w płaszczyźnie prostopadłej do propagacji, mówi się, że światło jest spolaryzowane liniowo. W tym stanie polaryzacji fazy obu składowych pola elektrycznego są takie same.

Jeśli nałożą się na siebie dwie fale, spolaryzowane liniowo, które wibrują w płaszczyznach prostopadłych do siebie, uzyskuje się kolejną falę spolaryzowaną liniowo. Uzyskana fala świetlna będzie w fazie z poprzednimi. Dwie fale są w fazie, gdy mają to samo przemieszczenie w tym samym czasie.

Polaryzacja liniowa, kołowa i eliptyczna. Przez Inductiveload. (https://commons.wikimedia.org)

Okrągłe światło spolaryzowane

Fala świetlna, której wektor pola elektrycznego oscyluje kołowo w tej samej płaszczyźnie prostopadłej do propagacji, jest spolaryzowana kołowo. W tym stanie polaryzacji wielkość pola elektrycznego pozostaje stała. Orientacja pola elektrycznego jest zgodna lub przeciwna do ruchu wskazówek zegara.

Pole elektryczne światła spolaryzowanego opisuje ścieżki kołowe o stałej częstotliwości kątowej ω.

Dwie liniowo spolaryzowane fale świetlne, które są nałożone prostopadle do siebie, z różnicą faz 90 °, tworzą falę świetlną spolaryzowaną kołowo.

Światło spolaryzowane eliptycznie

W tym stanie polaryzacji pole elektryczne fali świetlnej opisuje elipsę w całej płaszczyźnie prostopadłej do propagacji i jest zorientowane zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara.

Nałożenie dwóch prostopadłych do siebie fal świetlnych, jednej o polaryzacji liniowej, a drugiej o polaryzacji kołowej i przesunięciu fazowym o 90 °, daje w wyniku falę świetlną o polaryzacji eliptycznej. Spolaryzowana fala świetlna jest podobna do przypadku polaryzacji kołowej, ale ze zmienną wielkością pola elektrycznego.

Odbicie światła spolaryzowanego

Światło spolaryzowane refleksyjnie zostało odkryte przez Malusa w 1808 roku. Malus zauważył, że kiedy wiązka niespolaryzowanego światła uderza w dobrze wypolerowaną, przezroczystą szklaną płytkę, część światła jest załamywana, gdy przechodzi przez płytkę, a druga część jest odbijana, tworząc kąt 90 ° między promieniem załamanym a promieniem odbitym.

Odbita wiązka światła jest spolaryzowana liniowo poprzez oscylację w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji, a jej stopień polaryzacji zależy od kąta padania.

Kąt padania, pod jakim odbita wiązka światła jest w pełni spolaryzowana, nazywany jest kątem Brewstera (θ _B )

Załamanie światła spolaryzowanego

Jeśli wiązka niespolaryzowanego światła pada pod kątem Brewstera (θ _B ) na stos płyt szklanych, część drgań prostopadłych do płaszczyzny padania odbija się w każdej z płytek, a pozostałe drgania ulegają załamaniu.

W rezultacie wszystkie odbite wiązki są spolaryzowane w tej samej płaszczyźnie, podczas gdy załamane wiązki są częściowo spolaryzowane.

Im większa liczba powierzchni, tym załamany promień będzie tracił coraz więcej oscylacji prostopadłych do płaszczyzny. Ostatecznie przepuszczane światło będzie spolaryzowane liniowo w tej samej płaszczyźnie padania, co światło niespolaryzowane.

Rozpraszanie światła spolaryzowanego

Światło padające na małe cząsteczki zawieszone w ośrodku jest pochłaniane przez jego strukturę atomową. Pole elektryczne indukowane w atomach i cząsteczkach ma drgania równoległe do płaszczyzny oscylacji padającego światła.

Podobnie pole elektryczne jest prostopadłe do kierunku propagacji. Podczas tego procesu atomy emitują fotony światła, które są odchylane we wszystkich możliwych kierunkach.

Wyemitowane fotony stanowią zbiór fal światła rozproszonych przez cząsteczki. Część rozproszonego światła prostopadła do padającej wiązki światła jest spolaryzowana liniowo. Druga część światła rozproszona w kierunku równoległym nie jest spolaryzowana, reszta światła rozproszonego przez cząstki jest częściowo spolaryzowana.

Rozpraszanie cząstek o wielkości porównywalnej z długością fali padającego światła nazywane jest rozpraszaniem Rayleigha. Ten rodzaj rozpraszania może wyjaśniać niebieski kolor nieba lub czerwony kolor zachodu słońca.

Rozpraszanie Rayleigha ma zależność odwrotnie proporcjonalną do czwartej potęgi długości fali (1 / λ ⁴ ).

Światło spolaryzowane dwójłomności

Dwójłomność jest charakterystyczną właściwością niektórych materiałów, takich jak kalcyt i kwarc, które mają dwa współczynniki załamania światła. Dwójłomne spolaryzowane światło uzyskuje się, gdy promień światła pada na materiał dwójłomny, rozdzielając się na promień odbity i dwa promienie załamane.

Z dwóch załamanych promieni, jeden odchyla się bardziej niż drugi, oscylując prostopadle do płaszczyzny padania, podczas gdy drugi oscyluje równolegle. Oba promienie wychodzą z materiału z polaryzacją liniową do płaszczyzny padania.

Bibliografia

1. Goldstein, D. Światło spolaryzowane. Nowy Jork: Marcel Dekker, inc, 2003.
2. Jenkins, FA i White, H. E. Podstawy optyki. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.
3. Saleh, Bahaa E. A i Teich, M C. Podstawy fotoniki. Kanada: John Wiley & Sons, 1991.
4. Guenther, R. D. Nowoczesna optyka. Kanada: John Wiley & Sons, 1990.
5. Bohren, CF i Huffman, D R. Absorpcja i rozpraszanie światła przez małe cząsteczki. Kanada: Jhon Wiley & Sons, 1998.