Polarisering af lys: Definition, reflektion, refraktion og spredning

Du har måske et par polariserede solbriller, men hvad betyder det? Hvordan er de anderledes end andre typer solbriller, og hvorfor er de nyttige? Polarisering, med hensyn til lys, henviser til processen med at orientere eller filtrere lysbølger i en enkelt retning, der påvirker, hvad du kan se.
Lys som elektromagnetiske bølger

En elektromagnetisk bølge er en tværbølge, der består af en elektrisk feltbølge, der svinger i et plan vinkelret (i rette vinkler) til en magnetfeltbølge, som begge er vinkelret på bevægelsesretningen.

Da elektromagnetisk stråling fungerer som en bølge, er enhver særlig elektromagnetisk bølge eller lysbølge vil være forbundet med en frekvens og bølgelængde. Produktet af bølgelængden og frekvensen er bølgehastigheden.

Imidlertid kræver elektromagnetiske bølger ikke et medium, som de skal forplantes igennem, og kan derfor krydse det tomme rums vakuum (hvilket de gør ved lyshastigheden - universets hurtigste hastighed).

Elektromagnetiske bølger findes i mange varianter, herunder radiobølger, mikrobølger, infrarød stråling, synligt lys, ultraviolet stråling, røntgenstråler og gammastråler.

Da en elektromagnetisk bølge endvidere er tværgående med amplitude vinkelret på bevægelsesretningen, kan den polariseres - der er mange mulige plan vinkelret på bevægelsesretningen, men en polariseret bølge vil kun have tværgående amplitude i en af dem. Langsgående bølger såsom lydbølger har kun forskydning i bevægelsesretningen, og derfor kan de ikke polariseres.
Polarisering af lys

Upolariserede lysbølger har flere overlejrede orienteringer. Lysbølger har både elektriske og magnetiske felter, altid vinkelret på hinanden - ved konvention defineres polarisering af retningen på det elektriske felt. Når vi ser på hovedet, ser vi måske de elektriske feltvektorer, der peger i alle forskellige retninger.

Når lys ledes gennem et polarisator eller et polariserende filter, lader filteret kun den del af lyset med elektriske feltlinjer orienteret parallelt med filter for at passere igennem. Som et resultat bliver lyset polariseret - det hele orienteres i samme retning. Dette er lineær polarisering.

Lys fra lyspærer eller solen er ikke polariseret. De mest almindelige kilder til polariseret lys er lasere. Hvis to polariserende filtre holdes vinkelret på hinanden foran en indfaldende lyskilde, blokeres alt lys. Hvis vinklen er mindre (f.eks. 45 grader), er kun noget af lyset blokeret.

Lyspolarisatorer findes i tre typer: reflekterende, dikroisk og birefringent. Reflekterende polarisatorer tillader kun, at en vis polarisering af lys passerer igennem, mens den reflekterer resten; dikroiske polarisatorer gør det modsatte og blokerer kun for en vis polarisering af lys, mens alle andre tillader at passere. I dobbeltbrydning bryder forskellige polariseringer af lys i forskellige vinkler, hvilket gør det muligt at vælge forskellige polariseringer af lys afhængigt af hvilken polarisering der ønskes.

Lyspolarisering er, hvordan film projiceres i 3D. 3D-brillerne givet til filmgængere har faktisk modsatte polariserende filtre i hver linse; et vandret filter i venstre og for eksempel et lodret filter i højre. Filmen projiceres derefter på den samme skærm fra to forskellige projektorer, en projicerer lys polariseret lodret og en projicerer lys polariseret vandret. Det venstre øje ser derefter et lidt andet billede end det højre øje, og hjernen kombinerer billederne for at skabe en opfattelse af dybde.
Brewster's Angle and Polarization by Reflection -

Når en lysstråle er begivenhed på en overfladen af et materiale, noget af lyset reflekteres, og noget af det brydes (det bevæger sig gennem materialet). Vinklen på det indfaldende lys, der kræves for at det reflekterede lys og det brydede lys skal være i en nøjagtig ret vinkel kaldes Brewster's vinkel.

Når forekomstvinklen er lig med Brewster's vinkel (afhængig af mediets sammensætninger på på hver side af overfladen), og det indfaldende lys er upolariseret, det vil forårsage lineær polarisering af det reflekterede lys. Hvis det indfaldende lys har en specifik polarisering, specielt til materialet, vil det kun brydes uden reflekteret lys overhovedet.

Hvorfor sker dette? Når det indfaldende lys midlertidigt optages af atomerne i overfladen af materialet, svinger elektronerne i materialets atomer. Da lysbølger er tværgående, skal polarisationen være vinkelret på bølgens bevægelsesretning. Så hvis polarisationen af den indfaldende bølge er i den retning, som den reflekterede bølge skal være, kan den reflekterede bølge ikke eksistere.

Hvis det indfaldende lys er upolariseret, vil det reflekterede lys polariseres vandret, parallelt med den reflekterende overflade. Lys med polarisering i incidensplanet, eller planet dannet fra bevægelsesretningen af det indfaldende lys og en vektor vinkelret på overfladen kaldes p-polariseret.

Polariserede solbriller bruger begrebet Brewster's vinkel for at reducere sollysreflektion fra vandrette overflader. Når solen er lav på himlen, er der meget s-polariseret lys i reflekteret blænding ud af overflader som vand og veje. Polariserede solbriller blokerer for lys med denne polarisering, hvilket reducerer blænding.
Polarisering ved spredning

Spredning af hændende lys fra luftmolekyler får lys til at være lineært polariseret vinkelret på forekomstplanet. Luftmolekyler bærer deres egen lille svingning i en retning, kendt som et dipolmoment, og de udstråler energi vinkelret på linjen for denne svingning. Så hvis et molekyls dipolmoment svinger frem og tilbage på y
-axen, vil uheldigt upolariseret lys sprede sig ud af det i x
-retningen, polariseret i y
-retning (parallelt med dipolen).

Hvis bølgelængden af det indfaldende lys er sammenlignelig med størrelsen på molekylerne, kaldes dette Rayleigh-spredning. Rayleigh-spredning er ansvarlig for farven på himlen, hvad enten det er en dyb blå af en smuk dag eller den dybe røde af en solnedgang; farverne ændrer sig afhængigt af forekomsten af sollys i atmosfæren.
Polarisering ved brydning

Polarisering kan også ske ved brydning eller bøjning af lys, når det passerer fra et medium til et andet. Oftest forekommer polarisationen vinkelret på overfladen.

Når et materiales brydningsindeks afhænger af lysets indfaldsretning og polarisering, kaldes det birefringent. I birefringente materialer er en tilfældig lysstråle opdelt ved polarisering i to stråler inde i materialet, der tager lidt forskellige stier.

Nogle forskere har mistanke om, at en birefringent type krystal kaldet "kalsit" kan være blevet brugt af vikingerne som navigationshjælpemiddel, da dets refraktive polariserende egenskaber kunne bruges til at lokalisere solen på en overskyet dag eller endda under horisonten.
Cirkulær polarisering

Cirkulær polarisering er en polarisationstilstand, hvor retning af det elektriske felt roterer cirkulært med tiden med en jævn hastighed i et plan vinkelret på forplantningsretningen. Dette kan forestilles som den elektriske feltvektor, der tegner en helix omkring forplantningsaksen, når bølgen forplantes. (Elliptisk polarisering, hvor spiralen er let klemt i en dimension, er også mulig.)

Hvis den elektriske feltvektor ser ud til at rotere mod uret, mens den ser i retning af lyskilden, kaldes højre cirkulært polariseret. Hvis vektoren ser ud til at rotere med uret, kaldes lyset venstre-cirkulært polariseret.

Cirkulær polarisering oprettes af to lineært polariserede lysbølger, polariserede vinkelret på hinanden, og hver forplantes 90 grader ud af fase. Elliptisk polarisering er, når en af disse lysbølger har en mindre amplitude end den anden, hvilket skaber en ellipse snarere end en cirkel.