Šviesos poliarizacija

Poliarizacija – skersinės bangos ašinės simetrijos sutrikdymas bangos sklidimo krypties atžvilgiu. Tik skersinės bangos gali būti poliarizuotos, kadangi esant poliarizacijai yra keičiama jų virpesių orientacija. Todėl išilginėms bangoms (pvz., garsui skysčiuose ar dujose), kurių virpesių sklidimo kryptis nukreipta išilgai bangos sklidimo krypties, poliarizacija nepasireiškia.

Poliarizuotos šviesos sklidimas pro poliarizuojantį filtrą. Keičiantis kampui tarp filtro ir šviesos poliarizacijos plokštumų, kinta praeinančios pro filtrą šviesos kiekis.

Sąvoka naudojama įvairiose mokslo šakose, kurių vienas pagrindinių tyrimo objektų yra bangų sklidimas, pvz., optika ar seismologija.

Šviesos poliarizaciją atrado prancūzų mokslininkas 1808 m., tiriant nuo lango atsispindėjusios šviesos kelią per dvejopai šviesą laužiantį kristalą. Buvo pastebėta, kad nors šviesa buvo dvejopai laužiama, tačiau Saulės atspindys buvo tik vienas. Vėliau, naktį tiriant žvakės atspindį nuo vandens, Malus pastebėjo, kad sukant kristalą keičiasi žvakės abiejų atspindžių ryškis. Jo pavarde pavadintas , nusakantis šviesos, praeinančios pro poliarizatorių, intensyvumo priklausomybę nuo poliarizatoriaus pasukimo kampo.

Natūrali (nepoliarizuota) šviesa yra sudaryta iš daug mikrospinduolių, skleidžiančių skirtingos vienodai tikėtinos poliarizacijos, nekoherentines šviesos bangas. Nepoliarizuotos šviesos sudėtyje gali būti elipsiškai, apskritimiškai bei tiesiškai poliarizuotų bangų. Jos efektinio elektrinio lauko vektorius ${\displaystyle {\vec {E}}(t)}$ per vieną bangos virpesių periodą brėžia neuždarą kreivę. Dalinai poliarizuota šviesa sudaryta iš visiškai nepoliarizuotos bei poliarizuotos šviesos. Ją sudarantys spinduoliai virpa labiausiai tikėtinų krypčių virpesiais. Kiekybiškai ji nusakoma poliarizacijos laipsniu. Visiškai poliarizuotos šviesos virpesių pobūdis kiekviename erdvės taške yra vienodas.

Teorinis apibūdinimas

Plokščios bangos pavyzdžiu apibūdinti poliarizacijos būsenas naudojama elektromagnetinė banga. Izotropinėje ir vienalytėje aplinkoje elektromagnetinė banga yra apibūdinama trimis vektoriais – bangos sklidimo krypties vektoriumi ${\displaystyle {\vec {k}}}$, magnetinio lauko virpesių stiprio vektoriumi ${\displaystyle {\vec {H}}}$ bei elektrinio lauko virpesių stiprio vektoriumi ${\displaystyle {\vec {E}}}$. Šie trys vektoriai tarpusavyje ortogonalūs ir susieti Maksvelo lygtimis. Elektromagnetinės bangos poliarizacijai apibūdinti dažniausiai naudojamas jos elektrinis laukas. Jeigu banga Dekarto koordinačių sistemoje sklinda išilgai z ašies, tada ją galima apibūdinti pasinaudojant dvejomis monochromatinėmis tarpusavyje statmenomis bangomis, irgi sklindančiomis išilgai z ašies.

Bendru atveju banga aprašoma:

${\displaystyle \Psi ={\vec {i}}A_{x}\sin {(\omega t-kz+\varphi _{x})}+{\vec {j}}A_{y}\cos {(\omega t-kz+\varphi _{y})}}$

${\displaystyle A_{x}}$, ${\displaystyle A_{y}}$ – bangos x ir y komponenčių amplitudės.

${\displaystyle \varphi _{x}}$,${\displaystyle \varphi _{y}}$ – pradiniai faziniai poslinkiai x ir y ašyse.

${\displaystyle {\vec {i}}}$, ${\displaystyle {\vec {j}}}$ – atitinkamai x ir y ašies vienetiniai vektoriai.

Joneso analizė

Pasinaudojant Oilerio formule bangą galima apibūdinti eksponentinių narių suma:

${\displaystyle \Psi ={\vec {i}}A_{x}e^{i(\omega t+\varphi _{x})}+{\vec {j}}A_{y}e^{i(\omega t+\varphi _{y})}}$

Šią lygtį galima užrašyti vieno stulpelio vektoriaus forma.

${\displaystyle \Psi ={\begin{bmatrix}A_{x}e^{i(\omega t+\varphi _{x})}\\A_{y}e^{i(\omega t+\varphi _{y})}\end{bmatrix}}}$

Pašalinus nuo laiko priklausomus narius, gaunama

${\displaystyle \Psi ={\begin{bmatrix}A_{x}e^{i\varphi _{x}}\\A_{y}e^{i\varphi _{y}}\end{bmatrix}}}$

Tai šviesos bangos elektrinio lauko Joneso vektorius, kuris žymimas ${\displaystyle J}$.

Poliarizacijos būsenos

Tiesinė poliarizacija

Plokščiosios tiesiškai poliarizuotos bangos virpesių stiprio vektorius plokštumoje, statmenoje bangos sklidimo krypčiai, virpa išilgai tiesės. Dekarto koordinačių sistemoje tiesiškai poliarizuota bangą, kurios krypties vektorius ${\displaystyle {\vec {k}}}$ sklinda išilgai z ašies, galima įsivaizduoti kaip dviejų irgi tiesiškai poliarizuotų bangų, iš kurių vienos virpesiai sklinda išilgai x ašies, kitos virpesiai sklinda išilgai y ašies, superpozicija. Šių dviejų bangų fazių skirtumas ${\displaystyle \varphi =0}$ arba ${\displaystyle \varphi =\pi }$.

Dviejų tiesiškai poliarizuotų bangų sudėtis.

Apskritiminė poliarizacija

Apskritai poliarizuotos bangos virpesių stiprio vektorius plokštumoje, statmenoje bangos sklidimo krypčiai, brėžia apskritimą, o bėgančioje bangoje brėžia erdvines spirales. Šiuo atveju banga yra sudaryta iš dviejų vienodos amplitudės bangų, tarp kurių fazės skirtumas ${\displaystyle \varphi ={\frac {\pi }{2}}}$ arba ${\displaystyle \varphi =-{\frac {\pi }{2}}}$. Bangai sklindant stebėtojo kryptimi ir esant fazės skirtumui ${\displaystyle \varphi ={\frac {\pi }{2}}}$ vektorius juda prieš laikrodžio rodyklę, ir pagal laikrodžio rodyklę, kai ${\displaystyle \varphi =-{\frac {\pi }{2}}}$.

Elipsinė poliarizacija

Elipsiškai poliarizuotos bangos virpesių stiprio vektorius plokštumoje, statmenoje bangos sklidimo krypčiai, brėžia elipsę. Apskritiminę bei tiesinę poliarizaciją galima priskirti atskiriems elipsinės poliarizacijos atvejams. Bangai sklindant stebėtojo kryptimi ir esant fazės skirtumui tarp sudedamųjų bangų ${\displaystyle \varphi <0}$, virpesių stiprio vektoriaus viršūnė sukasi prieš laikrodžio rodyklę, o jei ${\displaystyle \varphi >0}$ – pagal laikrodžio rodyklę.

Poliarizacijos pritaikymas ir pavyzdžiai

Poliarizuojančio filtro poveikis fotografuojant purvą. Tarp šių dviejų nuotraukų filtras buvo pasuktas 90° kampu.

Poliarizuojantys filtrai

Poliarizuojantys filtrai praleidžia tik tam tikros poliarizacijos šviesą. Jie naudojami saulės akinių gamyboje, siekiant apsaugoti žmogaus akis nuo akinimo. Poliarizuojantys filtrai taip pat naudojami fotografijoje. Jie naudojami fotografuojant šviesą atspindinčius paviršius (vandenį, stiklą), bei dangų, kuris be poliarizuojančio filtro atrodo šviesesnis, negu fotografuojant su filtru.

LCD monitoriai

LCD monitorių ląstelės sudarytos iš dviejų poliarizatorių, tarp kurių yra plonas skysto kristalo sluoksnis. Jeigu optinė ašis statmena poliarizatoriams, šviesa praeina ir ląstelė yra permatoma. Jeigu įjungiama elektrinė įtampa, skysto kristalo molekulės persiorientuoja ir ląstelė dvejopai laužia šviesą. Ląstelė tada tampa nepermatoma ir atrodo juoda.

Rega

Kai kuriomis sąlygomis žmonės gali regėti šviesos poliarizaciją. Žiūrint į gerai apšviestą paviršių, pvz. kompiuterio monitorių, pro poliarizatorių ir jį sukant, yra įmanoma pamatyti Haidingerio teptuką – dvi, vieną geltoną, kitą mėlyną – peteliškės formas. Priežastis, kodėl matomas Haidingerio teptukas – žmogaus akies geltonosios dėmės dichroizmas.

Kai kurios vabzdžių rūšys, tarp jų bitės, skėriai ir skruzdės, naudojasi Saulės šviesos daline poliarizacija navigacijos tikslams.

Šaltiniai

1. Vaidutis Antanas Šalna. Poliarizacija. Visuotinė lietuvių enciklopedija. Nuoroda tikrinta 2020-12-04.
2. Karazija, R.(2004). Fizikos istorija. Inforastras. 117.
3. Pye, J.D.(2001). Polarised light in science and nature. Institute of Physics. 71. ISBN-9780750306737.
4. Šalna, V.A. (2004). Optika. Enciklopedija. 14.
5. Kliger D.S., Lewis J.W.(1990).Polarized light in optics and spectroscopy. Elsevier Science. 62. ISBN-9780124149755.
6. Hecht, E.(2001). Optics (4th ed.) Addison-Wesley. 328. ISBN 978-0805385663
7. Sakamoto, Y.; Sasaki, K.; Kojima, M.; Sasaki, H.; Sakamoto, A.; Sakai, M.; Tatami, A. (2002). „The effects of protective eyewear on hair and crystalline lens transparency“. Dev Ophthalmol. 35. 93–103. https://doi.org/10.1159/000060813.
8. Houde-Walter, S.(1991), Haidinger’s Brush. Optics and photonics news. 1(12),72, https://doi.org/10.1364/OPN.1.12.000072
9. Marshall J., Cronin T.W.(2011). Polarisation vision. Current Biology. 21(8). R101-R105. https://doi.org/10.1016/j.cub.2010.12.012.
10. Krapp, H.G.(2007). Polarization Vision: How Insects Find Their Way by Watching the Sky. Current Biology. 17(14). R557-R560. https://doi.org/10.1016/j.cub.2007.05.022.