Zjawisko polaryzacji światła

Światło to fala elektromagnetyczna, która polega na rozchodzeniu się zmian pola elektrycznego i magnetycznego. Wektory tych pól są prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się. Jest to więc fala poprzeczna. Do określania fali elektromagnetycznej bierze się kierunek drgań pola elektrycznego. Nazywany jest on kierunkiem polaryzacji. Jeżeli drgania pola elektrycznego są w jednym kierunku to taką falę nazywamy spolaryzowaną liniowo (światło może być jeszcze spolaryzowane kołowo lub eliptycznie), jeśli drgania są w różnych kierunkach to niespolaryzowaną. Urządzenia służące do polaryzacji światła nazywamy polaryzatorami. Wykorzystują one jeden z trzech podstawowych sposobów polaryzacji światła.

Polaryzacja światła

Najpopularniejszymi polaryzatorami są używane przez fotografów polaroidy, specjalnie w tym celu wykonane płytki z polimerów. Pod dobrym mikroskopem można zobaczyć, że polaroid zbudowany jest z długich włókien tworzących szczeliny, przez które może przecisnąć się tylko światło o odpowiednim kierunku drgań. polaryzator przepuszcza tylko te fale, które mają kierunek drgań pola elektromagnetycznego zbliżony do kierunku wyznaczanego przez szczeliny polaryzatora, pozostałe fale są zatrzymywane.
Naturalnymi polaryzatorami występującymi w przyrodzie są tak zwane kryształy dwójłomne, np. kalcyt (szpat islandzki), turmalin lub mika. Promień światła padający na taki kryształ ulega podwójnemu załamaniu i rozdziela się na dwa promienie, załamujące się pod różnymi kątami zwane promieniem zwyczajnym i nadzwyczajnym. Obydwa te promienie są spolaryzowane, ale w płaszczyznach do siebie prostopadłych. Własności kryształów dwujłomnych spowodowane są anizotropią, czyli mają różne właściwości w zależności od kierunku padania światła. W praktyce stosuje się układy pryzmatów wykonanych z materiałów dwujłonych, które albo rozdzielają wiązkę zwyczajna i nadzwyczjaną (pryzmaty polaryzujące dwuwiązkowe) lub wydzielają jeden ze polaryzowanych promieni (pryzmaty jednowiązkowe).

Przejście światła przy przejściu przez kryształy dwujłomne

W niektórych kryształach dwujłonych jeden z promieni (zwyczajny lub nadzwyczajny) jest silniej absorbowany w krysztale. Tkie kryształy zastosowano jako polaryzatory, na przykład turmalin o grubości 1 milimetr pochłąnia praktycznie w całości promień zwyczajny.

Światło ulega także polaryzacji (na ogół częściowej) przy odbiciu od powierzchni przezroczystych izolatorów, na przykład szkła lub wody. Całkowita polaryzacja światła odbitego zachodzi dla określonego kąta padania, zwanego kątem Brewstera. Jest to taki kąt padania, przy którym promień załamany tworzy z promieniem odbitym kąt 90. Można wykazać, że tangens kąta Brewstera jest równy współczynnikowi załamania materiału substanci odbijającej. Dla szkła kąt ten wynosi około 55. Przy całkowitej polaryzacji w świetle odbitym drgania pola elektrycznego odbywają się w płaszczyźnie prostopadłej do rysunku. Promień załamany jest również częściowo spolaryzowany, ale nigdy całkowicie.
Polaryzatory liniowe przepuszczają światło o kierunku drgań pola elektrycznego tylko w jednym kierunku. Jeśli światło spolaryzowane pada na drugi polaryzator o innym kierunku polaryzacji, to część energii niesiona przez falę zostaje pochłonięta w materiale tego polaryzatora, a fala przechodząca jest spolaryzowana zgodnie z jego kierunkiem polaryzacji. Drugi polaryzator może więc zmienić kierunek polaryzacji światła, które nań pada. Jeżeli płaszczyzny polaryzacji są takie same, to efekt jest taki jak dla jednego polaryzatora. Drugi polaryzator więc może odgrywać rolę analizatora. Obracając go, możemy sprawdzić, czy padające na niego światło było spolaryzowane i w jakiej płaszczyźnie (światło przechodzi lub zostaje pochłonięte). Jeżeli analizator zostanie ustawiony prostopadle do polaryzatora to światło dalej nie przejdzie. Ilość światła, które przechodzi przez analizator ustawiony pod dowolnym kątem do polaryzatora, podaje prawo Malusa.

Naturalne światło pochodzące ze Słońca, żarówki lub świetlówki nie jest spolaryzowane. Polaryzację otrzymujemy po odbiciu światła od szyby, tafli wody lub mokrej jezdni. Również światło rozproszone przez chmury jest częściowo spolaryzowane. Płaszczyzna liniowej polaryzacji światła rozproszonego przez atmosferę (niebo) jest prostopadła do kierunku, z którego świeci Słońce. Światło wysyłane przez laser jest całkowicie spolaryzowane, co widać podczas obrotu polaryzatora.
Oko człowieka nie potrafi odróżnić czy światło jest spolaryzowane czy też nie. Jest to nam niepotrzebne.
Spolaryzować można każdą falę poprzeczną, na przykład falę na sznurze. Fali podłużnej, czyli takiej dla której drgania są równoległe do kierunku rozchodzenia się spolaryzować się nie da. Nie można więc spolaryzować fali dźwiękowej w powietrzu bo jest to fala podłużna.

Przejście światła spolaryzowanego przez polaryzator, który pełni rolę analizatora

Wykorzystanie polaryzacji
Jeśli na drodze światła niespolaryzowanego ustawimy dwa polaryzatory o prostopadłych kierunkach polaryzacji, to wiązka zostanie prawie całkowicie pochłonięta wykorzystuje się to do znacznego osłabienia światła reflektorów nadjeżdżających z przeciwka samochodów. Tym sposobem unika się oślepiania kierowcy. Jeśli szkła reflektorów polaryzują światło w kierunku poziomym, a szyba samochodu, na którą pada światło - w kierunku pionowym, to wiązka światła będzie znacznie osłabiona. Natomiast światło rozproszone na jezdni i otaczających samochód przedmiotach nie będzie już spolaryzowane w tej samej płaszczyźnie, dotrze więc do oczu kierowcy mniej osłabione.
Światło odbite od gładkiej powierzchni (woda, śnieg, lód, mokra nawierzchnia drogi, przednia szyba samochodu, itp.) tworzy oślepiającą białą poświatę. Zmienia to znacznie nasze postrzeganie kształtów, kolorów i pogarsza komfort widzenia. Ale odbite światło jest przynajmniej częściowo spolaryzowane. Ten fakt wykorzystuje się w okularach zawierających filtry polaryzacyjne. Soczeki działają jak analizatory i nie przepuszczają drażniących oczu odblasków. Widzimy wtedy obraz ze zwiększonym kontrastem i podkreślonymi wyraźnymi kolorami, ale bez ich przekłamania. Takie okulary eliminują również rozproszone światło przez chmury, które również jest częściowo spolaryzowane.
Okulary polaryzacjyne poleca się szczególnie osobom potrzebujących korekcji astygmatyzmu oraz kierowcom. Eliminują one równiesz refleksy od ekranu monitora i telewizora.
Inne zastosowania polaryzacji związane są z faktem, że wiele substancji organicznych to materiały "optycznie czynne". Światło spolaryzowane, przechodząc przez roztwór takiej substancji, nie ulega znaczącemu osłabieniu, ale kierunek polaryzacji zmienia się. Efekt ten nazywamy skręceniem płaszczyzny polaryzacji. Taki efekt powoduje wodny roztwór cukru. Kąt, o jaki zmienia się kierunek polaryzacji, jest proporcjonalny do długości warstwy i stężenia roztworu. Pomiary stopnia skręcenia polaryzacji wykorzystuje się do pomiaru zawartości cukru w soku wytłoczonym z buraków cukrowych.
Co ciekawe niektóre substancje skręcają inaczej poszczególne kolory światła (różne długości fali). Jeśli między dwa skrzyżowane polaryzatory włożymy kawałek zmiętego celofanu czy plastiku wyłamanego z pudełeczka po tic-takach to pojawiają się bajecznie kolorowe plamy - białe światło rozpada się na różnobarwne promienie. Dla każdego materiału obserwować możemy inne kolory, bowiem inaczej zmieniają one polaryzację.


Skręcanie płaszczyzny polaryzacji prze ośrodek optycznie czynny, analizator należy obrócić o pewien kąt, by oglądane pole było znowu jasne

Polaryzacja jest praktyczne wykorzystywana w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych (LCD). Ciekły kryształ, do którego przyłożono napięcie elektryczne powoduje zmianę polaryzacji przechodzącego przez niego światła. Jeżeli połączymy szereg kryształów oddziałujących z różnymi długościami promieniowania, to możemy w ten sposób uzyskać obraz kolorowy. Ekran takiego wyświetlacza musi zawierać filtry polaryzacyjne.

Jeżeli jakiś przezroczysty materiał jest anizotropowy, czyli ma onne właściwości w różnych kierunkach, to często powoduje zmiany polaryzacji przechodzącego przez niego światła. Jest tak w przypadku kryształów, jednak źródłem anizotropii może być również występowanie naprężeń wewnątrz materiału. Zjawisko to można wykorzystać w defektoskopii (wczesnym wykrywaniu uszkodzeń maszyn). Inne zastosowanie to badanie prototypów. Model części urządzenia wykonany z przezroczystego materiału i może zostać poddany próbom wytrzymałościowym. Odpowiedni układ optyczny pozwala na obserwację charakterystycznych prążków wyznaczającym linie naprężeń wewnątrz materiału. Technikę tą wykorzystuje się w elastooptyce.

Korzystając z własności światła spolaryzowanego wytwarzanego przez różne kryształy możliwe jest rozróżnianie ich rodzajów. Mineralodzy korzystają z mikroskopów polaryzacyjnych, w których poszczególne ziarna kryształów mienią się różnymi kolorami.

W astronomii obserwacja polaryzacji światła pozwala określić, czy zostało ono rozproszone przed dotarciem do teleskopu.
Niektóre zwierzęta potrafią określać stopień polaryzacji światła. Z tej własności korzystają niektóre owady, w tym pszczoły. Pomaga im to orientować się w terenie. Światło rozproszone w chmurach jest częściowo spolaryzowane. Pszczoły rejestrują stopień polaryzacji światła i nawet w czasie pochmurnych dni orientują się według Słońca.

Polaryzacja jest postrzegana przez ośmiornice, kałamarnice oraz mątwy. Zwierzęta te wykorzystują spolaryzowane światło do komunikacji. Ich ciała pokrywają wzory widoczne tylko przez filtry polaryzacyjne. Niektóre głowonogi mają tez zdolność dynamiczne zmiany tych wzorów. W ten sposób mogą przekazywać sobie sygnały godowe lub odstraszać napastników.

Polaryzacja światła jest widoczne również dla oczu ptaków. Oprócz nawigacji ptaki używają uzyskanych w ten sposób informacji do poszukiwania prądów wznoszących pozwalających im na szybowanie bez wydatkowania energii.