โพลาไรเซชันของแสง — ประเภท วิธีเกิด และการประยุกต์ใช้

โพลาไรเซชันของแสงบอกว่าสนามไฟฟ้าวางตัวอย่างไรขณะที่คลื่นเคลื่อนที่ไป ในออปติกส์เบื้องต้น แสงไม่โพลาไรซ์จะมีทิศทางของสนามตามขวางหลายทิศทางสลับกันไปตามเวลา ส่วนแสงโพลาไรซ์จะมีรูปแบบที่แน่นอนกว่า ประเภทหลักมี 3 แบบ คือ โพลาไรเซชันเชิงเส้น เชิงวงกลม และเชิงวงรี

เรื่องนี้สำคัญเพราะปรากฏการณ์เชิงแสงหลายอย่างไม่ได้ขึ้นกับเพียงความเข้มและความยาวคลื่นเท่านั้น แต่ยังขึ้นกับการวางตัวของสนามด้วย แว่นกันแดดโพลาไรซ์ หน้าจอ LCD การลดแสงสะท้อน และเครื่องมือในห้องปฏิบัติการจำนวนมาก ล้วนอาศัยโพลาไรเซชัน

โพลาไรเซชันของแสงหมายถึงอะไร

แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และในฟิสิกส์เบื้องต้นมักใช้สนามไฟฟ้าเป็นส่วนที่ใช้อธิบายโพลาไรเซชัน ประเด็นสำคัญคือสนามนี้สั่นตั้งฉากกับทิศทางที่แสงเคลื่อนที่

ถ้าสนามไฟฟ้าชี้อยู่ตามทิศทางตามขวางคงที่เพียงทิศทางเดียว แสงนั้นจะเป็นแสงโพลาไรซ์เชิงเส้น ถ้าทิศทางของสนามหมุนไปขณะที่คลื่นเคลื่อนที่ แสงอาจเป็นโพลาไรเซชันเชิงวงกลมหรือเชิงวงรี ขึ้นอยู่กับลักษณะการเคลื่อนที่อย่างละเอียด

นี่จึงเป็นเหตุผลที่โพลาไรเซชันต่างจากความสว่างหรือสี ลำแสงสองลำอาจมีความเข้มและความยาวคลื่นเท่ากัน แต่มีสถานะโพลาไรเซชันต่างกันได้

ประเภทของโพลาไรเซชัน: เชิงเส้น เชิงวงกลม และเชิงวงรี

โพลาไรเซชันเชิงเส้น

ในโพลาไรเซชันเชิงเส้น สนามไฟฟ้าจะอยู่ตามแนวเส้นตรงคงที่เส้นเดียว ขนาดของสนามยังเปลี่ยนตามเวลาได้ แต่ทิศทางจะไม่หมุนกวาดไปรอบ ๆ

นี่เป็นกรณีพื้นฐานที่มักเรียนก่อน เพราะแผ่นโพลาไรเซอร์อย่างง่ายสามารถสร้างสภาวะนี้ได้โดยประมาณ

โพลาไรเซชันเชิงวงกลม

ในโพลาไรเซชันเชิงวงกลม สนามไฟฟ้าจะหมุนด้วยอัตราคงที่ และในกรณีอุดมคติจะมีขนาดคงเดิม ที่ตำแหน่งหนึ่งในอวกาศ ปลายเวกเตอร์สนามจะกวาดเป็นวงกลมตามเวลา

กรณีนี้ต้องมีองค์ประกอบของสนามสองตัวที่ตั้งฉากกัน มีแอมพลิจูดเท่ากัน และมีความต่างเฟสที่เหมาะสม

โพลาไรเซชันเชิงวงรี

โพลาไรเซชันเชิงวงรีเป็นกรณีทั่วไปมากกว่า ปลายเวกเตอร์สนามจะกวาดเป็นวงรีตามเวลา

โพลาไรเซชันเชิงเส้นและเชิงวงกลมสามารถมองได้ว่าเป็นกรณีพิเศษของโพลาไรเซชันเชิงวงรีภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม

แสงเกิดโพลาไรเซชันได้อย่างไร

แสงสามารถเกิดโพลาไรเซชันได้เมื่อระบบเชิงแสงปฏิบัติต่อทิศทางของสนามบางทิศทางแตกต่างจากทิศทางอื่น

แผ่นกรองโพลาไรซ์จะยอมให้ทิศทางที่ต้องการของสนามไฟฟ้าผ่านได้มากกว่าทิศทางอื่น ดังนั้นแสงที่ออกมาจึงกลายเป็นแสงโพลาไรซ์เชิงเส้นโดยประมาณ

การสะท้อนก็ทำให้เกิดโพลาไรเซชันได้เช่นกัน แสงสะท้อนแยงตาจากถนน น้ำ หรือกระจก มักเป็นแสงที่มีโพลาไรเซชันบางส่วน นี่จึงเป็นเหตุผลที่แว่นกันแดดโพลาไรซ์ช่วยลดแสงสะท้อนได้

การกระเจิงก็ทำให้เกิดโพลาไรเซชันได้เช่นกัน นั่นเป็นเหตุผลหนึ่งที่โพลาไรเซชันมีประโยชน์ในการวัดบรรยากาศและการสร้างภาพ

ในออปติกส์ขั้นสูง วัสดุไบรีฟรินเจนต์และแผ่นหน่วงคลื่นสามารถเปลี่ยนสถานะโพลาไรเซชันหนึ่งไปเป็นอีกสถานะหนึ่งได้ แต่แนวคิดสำหรับผู้เริ่มต้นง่ายกว่านั้น คือ ชุดอุปกรณ์จะเปลี่ยนหรือคัดเลือกองค์ประกอบของสนามตามขวาง

ตัวอย่างคำนวณ: โพลาไรเซอร์เชิงเส้นอุดมคติสองแผ่น

สมมติว่าลำแสงหนึ่งเป็นแสงโพลาไรซ์เชิงเส้นอยู่แล้ว และมีความเข้ม $I_0$ จากนั้นลำแสงนี้ผ่านตัววิเคราะห์อุดมคติที่มีแกนส่งผ่านทำมุม $\theta$ กับทิศทางโพลาไรเซชันของแสงที่ตกกระทบ

สำหรับกรณีนี้โดยเฉพาะ กฎของมาลุสให้ความเข้มของแสงที่ส่งผ่านเป็น

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

ถ้าหมุนตัววิเคราะห์ไปที่ $\theta = 60^\circ$ จะได้ว่า

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

ดังนั้นความเข้มของแสงที่ส่งผ่านจะเท่ากับหนึ่งในสี่ของ $I_0$

ฟิสิกส์ของกรณีนี้ตรงไปตรงมา ตัววิเคราะห์จะยอมให้เฉพาะองค์ประกอบของสนามไฟฟ้าที่ขนานกับแกนของมันผ่าน กฎของมาลุสใช้ได้ในที่นี้เพราะแสงตกกระทบเป็นแสงโพลาไรซ์เชิงเส้นอยู่แล้ว และถือว่าโพลาไรเซอร์เป็นอุดมคติ

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในโจทย์โพลาไรเซชัน

สับสนระหว่างทิศทางการเคลื่อนที่กับทิศทางโพลาไรเซชัน

ลำแสงอาจเคลื่อนที่ไปข้างหน้าตามแกนหนึ่ง ขณะที่สนามไฟฟ้าสั่นในทิศทางที่ตั้งฉากกับแกนนั้น ทั้งสองอย่างนี้เป็นคนละทิศทาง

คิดว่าแสงทุกชนิดเป็นแสงโพลาไรซ์

แหล่งกำเนิดแสงในชีวิตประจำวันจำนวนมากให้แสงที่ไม่โพลาไรซ์ หรือโพลาไรซ์เพียงบางส่วน ก่อนที่มันจะไปมีปฏิสัมพันธ์กับองค์ประกอบเชิงแสง

มองว่าเชิงเส้น เชิงวงกลม และเชิงวงรีเป็นแนวคิดที่ไม่เกี่ยวกัน

ทั้งสามแบบเป็นสถานะโพลาไรเซชันที่ต่างกัน แต่โพลาไรเซชันเชิงวงกลมและเชิงเส้นต่างก็เป็นกรณีพิเศษภายใต้ภาพรวมของโพลาไรเซชันเชิงวงรี

ใช้กฎของมาลุสกว้างเกินไป

สูตร $I = I_0 \cos^2 \theta$ ใช้สำหรับตัววิเคราะห์อุดมคติที่รับแสงตกกระทบซึ่งเป็นแสงโพลาไรซ์เชิงเส้น ถ้าแสงที่เข้ามาไม่โพลาไรซ์หรือโพลาไรซ์เพียงบางส่วน ต้องวิเคราะห์ชุดอุปกรณ์อย่างระมัดระวังมากขึ้น

โพลาไรเซชันของแสงถูกนำไปใช้ที่ไหน

• แว่นกันแดดโพลาไรซ์ที่ช่วยลดแสงสะท้อน
• เทคโนโลยี LCD และจอแสดงผล
• การสื่อสารเชิงแสงและเครื่องมือในห้องปฏิบัติการ
• กล้องจุลทรรศน์และการวิเคราะห์วัสดุ
• การถ่ายภาพและการสำรวจระยะไกล

แม้ผลิตภัณฑ์จะไม่ได้ระบุคำว่าโพลาไรเซชันโดยตรง โพลาไรเซชันก็อาจยังเป็นส่วนหนึ่งของวิธีที่ระบบเชิงแสงใช้ควบคุมหรือวัดแสง

ลองทำตัวอย่างโพลาไรเซชันที่คล้ายกัน

ลองทำโจทย์แบบเดียวกับตัวอย่างโพลาไรเซอร์ด้วยค่า $\theta = 30^\circ$, $45^\circ$, และ $90^\circ$ คุณจะเห็นได้อย่างรวดเร็วว่าการเปลี่ยนมุมส่งผลต่อความเข้มของแสงที่ส่งผ่านอย่างไร

ถ้าอยากลองต่ออีกขั้น ให้สำรวจกรณีในออปติกส์ที่คล้ายกัน เช่น การหักเหหรือการแทรกสอด แล้วเปรียบเทียบว่าสมบัติใดของแสงเปลี่ยนไป และสมบัติใดยังคงเดิม