Πόλωση του φωτός — Τύποι, μέθοδοι και εφαρμογές

Η πόλωση του φωτός δείχνει πώς είναι προσανατολισμένο το ηλεκτρικό πεδίο καθώς το κύμα διαδίδεται. Στην εισαγωγική οπτική, το μη πολωμένο φως περιέχει πολλές εγκάρσιες διευθύνσεις πεδίου με την πάροδο του χρόνου, ενώ το πολωμένο φως ακολουθεί ένα πιο καθορισμένο μοτίβο. Οι τρεις βασικοί τύποι είναι η γραμμική, η κυκλική και η ελλειπτική πόλωση.

Αυτό έχει σημασία επειδή πολλά οπτικά φαινόμενα εξαρτώνται όχι μόνο από την ένταση και το μήκος κύματος, αλλά και από τον προσανατολισμό του πεδίου. Τα πολωτικά γυαλιά ηλίου, οι οθόνες LCD, η μείωση των αντανακλάσεων και πολλά εργαστηριακά όργανα βασίζονται όλα στην πόλωση.

Τι σημαίνει η πόλωση του φωτός

Το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα και στην εισαγωγική φυσική το ηλεκτρικό πεδίο είναι συνήθως το μέρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει την πόλωση. Το βασικό σημείο είναι ότι το πεδίο ταλαντώνεται κάθετα προς την κατεύθυνση στην οποία ταξιδεύει το φως.

Αν το ηλεκτρικό πεδίο συνεχίζει να δείχνει κατά μήκος μίας σταθερής εγκάρσιας διεύθυνσης, το φως είναι γραμμικά πολωμένο. Αν η διεύθυνση του πεδίου περιστρέφεται καθώς το κύμα διαδίδεται, το φως μπορεί να είναι κυκλικά ή ελλειπτικά πολωμένο, ανάλογα με την ακριβή κίνηση.

Γι’ αυτό η πόλωση είναι διαφορετική από τη φωτεινότητα ή το χρώμα. Δύο δέσμες μπορούν να έχουν την ίδια ένταση και το ίδιο μήκος κύματος αλλά διαφορετικές καταστάσεις πόλωσης.

Τύποι πόλωσης: γραμμική, κυκλική και ελλειπτική

Γραμμική πόλωση

Στη γραμμική πόλωση, το ηλεκτρικό πεδίο παραμένει πάνω στην ίδια σταθερή ευθεία. Το μέτρο του πεδίου μπορεί ακόμη να μεταβάλλεται με τον χρόνο, αλλά η διεύθυνση δεν περιστρέφεται.

Αυτή είναι η τυπική πρώτη περίπτωση, επειδή ένα απλό πολωτικό φίλτρο μπορεί να την παράγει προσεγγιστικά.

Κυκλική πόλωση

Στην κυκλική πόλωση, το ηλεκτρικό πεδίο περιστρέφεται με σταθερό ρυθμό και στην ιδανική περίπτωση διατηρεί το ίδιο μέτρο. Σε ένα σημείο του χώρου, η άκρη του διανύσματος του πεδίου διαγράφει κύκλο με τον χρόνο.

Αυτό απαιτεί δύο κάθετες συνιστώσες πεδίου με ίσο πλάτος και τη σωστή διαφορά φάσης.

Ελλειπτική πόλωση

Η ελλειπτική πόλωση είναι η πιο γενική περίπτωση. Η άκρη του διανύσματος του πεδίου διαγράφει έλλειψη με τον χρόνο.

Η γραμμική και η κυκλική πόλωση μπορούν να θεωρηθούν ειδικές περιπτώσεις της ελλειπτικής πόλωσης κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες.

Πώς το φως γίνεται πολωμένο

Το φως μπορεί να γίνει πολωμένο όταν ένα οπτικό σύστημα μεταχειρίζεται ορισμένες διευθύνσεις του πεδίου διαφορετικά από άλλες.

Ένα πολωτικό φίλτρο μεταδίδει ισχυρότερα μία προτιμώμενη διεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου από ό,τι τις άλλες, οπότε το εξερχόμενο φως γίνεται προσεγγιστικά γραμμικά πολωμένο.

Η ανάκλαση μπορεί επίσης να πολώσει το φως. Οι ανακλώμενες λάμψεις από δρόμους, νερό ή γυαλί είναι συχνά μερικώς πολωμένες, γι’ αυτό και τα πολωτικά γυαλιά ηλίου μπορούν να τις μειώσουν.

Η σκέδαση μπορεί επίσης να πολώσει το φως. Αυτός είναι ένας λόγος που η πόλωση είναι χρήσιμη στις ατμοσφαιρικές μετρήσεις και στην απεικόνιση.

Στην πιο προχωρημένη οπτική, τα διπλοθλαστικά υλικά και τα ελάσματα κύματος μπορούν να μετατρέψουν μία κατάσταση πόλωσης σε μια άλλη. Η βασική ιδέα για αρχάριους είναι απλούστερη: η διάταξη αλλάζει ή επιλέγει εγκάρσιες συνιστώσες του πεδίου.

Λυμένο παράδειγμα: δύο ιδανικοί γραμμικοί πολωτές

Έστω ότι μια δέσμη είναι ήδη γραμμικά πολωμένη με ένταση $I_0$. Στη συνέχεια περνά μέσα από έναν ιδανικό αναλυτή του οποίου ο άξονας μετάδοσης σχηματίζει γωνία $\theta$ με τη διεύθυνση της εισερχόμενης πόλωσης.

Για αυτή τη συγκεκριμένη διάταξη, ο νόμος του Malus δίνει τη μεταδιδόμενη ένταση:

$$I = I_0 \cos^2 \theta$$

Αν ο αναλυτής στραφεί σε $\theta = 60^\circ$, τότε

$$I = I_0 \cos^2 60^\circ = I_0 \left(\frac{1}{2}\right)^2 = \frac{I_0}{4}$$

Άρα η μεταδιδόμενη ένταση είναι το ένα τέταρτο του $I_0$.

Η φυσική είναι απλή: ο αναλυτής μεταδίδει τη συνιστώσα του ηλεκτρικού πεδίου που είναι ευθυγραμμισμένη με τον άξονά του. Ο νόμος του Malus εφαρμόζεται εδώ μόνο επειδή το προσπίπτον φως είναι ήδη γραμμικά πολωμένο και οι πολωτές θεωρούνται ιδανικοί.

Συνηθισμένα λάθη σε προβλήματα πόλωσης

Σύγχυση της κατεύθυνσης διάδοσης με την κατεύθυνση πόλωσης

Η δέσμη μπορεί να διαδίδεται προς τα εμπρός κατά μήκος ενός άξονα, ενώ το ηλεκτρικό πεδίο ταλαντώνεται σε διευθύνσεις κάθετες προς αυτόν τον άξονα. Αυτές είναι διαφορετικές κατευθύνσεις.

Υπόθεση ότι όλο το φως είναι πολωμένο

Πολλές καθημερινές πηγές παράγουν φως που είναι μη πολωμένο ή μόνο μερικώς πολωμένο πριν αλληλεπιδράσει με ένα οπτικό στοιχείο.

Αντιμετώπιση της γραμμικής, κυκλικής και ελλειπτικής πόλωσης ως άσχετων εννοιών

Είναι διαφορετικές καταστάσεις πόλωσης, αλλά η κυκλική και η γραμμική πόλωση είναι και οι δύο ειδικές περιπτώσεις μέσα στη γενικότερη εικόνα της ελλειπτικής πόλωσης.

Πολύ γενική χρήση του νόμου του Malus

Ο τύπος $I = I_0 \cos^2 \theta$ ισχύει για ιδανικό αναλυτή που δρα πάνω σε προσπίπτον γραμμικά πολωμένο φως. Αν το εισερχόμενο φως είναι μη πολωμένο ή μόνο μερικώς πολωμένο, πρέπει να εξετάσεις τη διάταξη πιο προσεκτικά.

Πού χρησιμοποιείται η πόλωση του φωτός

• πολωτικά γυαλιά ηλίου που μειώνουν τις ανακλώμενες λάμψεις
• τεχνολογίες LCD και οθονών
• οπτικές επικοινωνίες και εργαστηριακά όργανα
• μικροσκοπία και ανάλυση υλικών
• φωτογραφία και τηλεπισκόπηση

Ακόμη κι όταν το προϊόν δεν αναφέρει την πόλωση ονομαστικά, η πόλωση μπορεί να αποτελεί μέρος του τρόπου με τον οποίο το οπτικό σύστημα ελέγχει ή μετρά το φως.

Δοκίμασε ένα παρόμοιο παράδειγμα πόλωσης

Δοκίμασε τη δική σου εκδοχή του παραδείγματος με τον πολωτή για $\theta = 30^\circ$, $45^\circ$ και $90^\circ$. Έτσι θα αποκτήσεις γρήγορα αίσθηση του πώς ο προσανατολισμός αλλάζει τη μεταδιδόμενη ένταση.

Αν θέλεις να προχωρήσεις ένα βήμα ακόμη, εξέτασε μια παρόμοια περίπτωση οπτικής, όπως η διάθλαση ή η συμβολή, και σύγκρινε ποιες ιδιότητες του φωτός αλλάζουν και ποιες παραμένουν ίδιες.