1.4. Polarizacija svjetlosti

Na početku pogledajmo video u kojem se spominje još jedna pojava vezana uz valnu prirodu svjetlosti.

Pogledajmo video u kojem se spominje još jedna pojava vezana uz valnu prirodu svjetlosti.

Da bismo odgovorili na pitanje kako polarizacijske naočale polariziraju svjetlost, istražimo najprije pojavu polarizacije svjetlosti.

Svjetlost, kao što smo vidjeli u prethodnim jedinicama, pokazuje valna svojstva. Kada ste prvi put spominjali valove, podijelili ste ih na longitudinalne i transverzalne, u ovisnosti o tome kako čestice sredstva kroz koje se val širi titraju u odnosu na smjer širenja vala. Zvučni valovi su longitudinalni što znači da se gibanje čestica sredstva, primjerice zraka, događa duž smjera rasprostiranja vala. S obzirom da se zvuk širi u svim smjerovima i čestice titraju u svim smjerovima, u tom su smislu svi smjerovi ravnopravni. Kod transverzalnih valova, na primjer na površni vode, čestice sredstva titraju okomito na smjer širenja vala, to jest na površinu vode. U ovom slučaju nisu svi pravci gibanja ravnopravni. Također, ako tresemo napeto uže, čestice užeta titraju okomito na njega i to je smjer koji se ističe. S obzirom da se gibanje čestica užeta odvija u jednoj ravnini, kažemo da je val koji se širi potpuno polariziran. U ovisnosti o tome kako tresemo uže polarizacija  može biti vodoravna ili okomita.

U jedinici Elektromagnetski val vidjeli smo da su ravnine titranja električnog i magnetskog polja u elektromagnetskom valu međusobno okomite, te da je smjer širenja vala okomit na ravnine titranja električnog i magnetskog polja. Elektromagnetski valovi su transverzalni valovi te se mogu polarizirati.

Kako polarizacijske naočale polariziraju svjetlost?

Istražimo najprije pojavu polarizacije svjetlosti.

Svjetlost pokazuje valna svojstva.

Valove dijelimo na:

• longitudinalne
• transverzalne. 

To ovisi o tome kako čestice sredstva kroz koje se val širi titraju u odnosu na smjer širenja vala.

Zvučni valovi su longitudinalni. To znači da se gibanje čestica sredstva događa duž smjera rasprostiranja vala (primjerice čestice zraka).

Zvuk se širi u svim smjerovima.

Čestice titraju u svim smjerovima.

U tom smislu svi smjerovi su ravnopravni.

Kod transverzalnih valova čestice sredstva titraju okomito na smjer širenja vala. Primjerice, na površinu vode.

U ovom slučaju nisu svi pravci gibanja ravnopravni.

Ako tresemo napeto uže, čestice užeta titraju okomito na njega i to je smjer koji se ističe.

Val je potpuno polariziran ako se gibanje čestica užeta odvija u jednoj ravnini. 

Ovisno kako tresemo uže polarizacija može biti:

• vodoravna ili
• okomita.

Elektromagnetski valovi su transverzalni.

Mogu se polarizirati.

Vidljiva svjetlost koju emitira žarulja sa žarnom niti (i bilo koji drugi uobičajeni izvor svjetlosti) je nepolarizirana i sastoji se od elektromagnetskih valova čija električna i magnetska polja titraju u različitim ravninama pri čemu se niti jedna ne ističe. U ovom se slučaju emitiraju valovi iz velikog broja atoma u vrućoj žarulji. Kada elektron u atomu oscilira, atom na kratko vrijeme emitira svjetlost u kratkim vremenskim intervalima, oko 10 ^-8 sekundi. Međutim, pravci širenja emitiranih valova se nasumično mijenjaju kao rezultat sudara. Nepolarizirana svjetlost se, dakle, sastoji od mnogih pojedinačnih valova, koje emitiraju brojni elektroni u atomima žarulje, a svaki ima svoj smjer titranja električnog i magnetskog polja, pa polja titraju u svim smjerovima okomitim na smjer širenja vala jednako.

Vidljiva svjetlost koju emitira žarulja sa žarnom niti (i bilo koji drugi uobičajeni izvor svjetlosti) je nepolarizirana.

Sastoji se od elektromagnetskih valova.

Njihova električna i magnetska polja titraju u različitim ravninama pri čemu se niti jedna ne ističe.

U ovom se slučaju emitiraju valovi iz velikog broja atoma u vrućoj žarulji.

Kada elektron u atomu oscilira, atom emitira svjetlost u kratkim vremenskim intervalima, oko 10 ^-8 sekundi.

Pravci širenja emitiranih valova se nasumično mijenjaju kao rezultat sudara.

Nepolarizirana svjetlost se sastoji od mnogih pojedinačnih valova.

Njih emitiraju brojni elektroni u atomima žarulje.

Svaki ima svoj smjer titranja električnog i magnetskog polja.

Polja titraju jednako u svim smjerovima okomitim na smjer širenja vala.

Do polarizacije dolazi zbog međudjelovanja svjetlosti i tvari, pri čemu električno i magnetsko polje više neće jednako titrati u svim smjerovima. Zato kažemo da je polarizacija svjetlosti pojava nesimetričnog titranja električnoga i magnetskog polja elektromagnetskog vala.

Veliki dio svjetlosti reflektiran od nemetalnih površina je polariziran. Odsjaj od površine vode je dobar primjer. Osim u slučaju kada je voda obasjana snopom okomitim na površinu, reflektirana zraka sadrži više vibracija paralelnih sa reflektirajućom površinom, dok refraktirana zraka sadrži više vibracija pod pravim kutom u odnosu na vibracije odbijene svjetlosti. To je analogno odskakivanju plosnatih kamenčića koje bacamo u jezero (pravljenje žabice na vodi). Kada kamen udari licem paralelno s površinom, tada se reflektira, ali ako udari licem pod kutum na površinu, dolazi do "refrakcije" u vodu. Zbog toga polarizacijske sunčane naočale propuštaju vibracije okomite na najčešće reflektirajuće površine (tlo, površina vode), a blokiraju horizontalne vibracije. Ovo ćemo detaljnije objasniti u dijelovima koji slijede.

Do polarizacije dolazi zbog međudjelovanja svjetlosti i tvari.

Pri tome električno i magnetsko polje više neće jednako titrati u svim smjerovima.

Polarizacija svjetlosti je pojava nesimetričnog titranja električnoga i magnetskog polja elektromagnetskog vala.

Veliki dio svjetlosti reflektiran od nemetalnih površina je polariziran.

Dobar primjer je odsjaj od površine vode.

Osim u slučaju kada je voda obasjana snopom okomitim na površinu, reflektirana zraka sadrži više vibracija paralelnih sa reflektirajućom površinom.

Refraktirana zraka sadrži više vibracija pod pravim kutom u odnosu na vibracije odbijene svjetlosti.

To je analogno odskakivanju plosnatih kamenčića koje bacamo u jezero (pravljenje žabice na vodi).

Kada kamen udari licem paralelno s površinom, tada se reflektira.

Ako udari licem pod kutum na površinu, dolazi do "refrakcije" u vodu.

 Zbog toga polarizacijske sunčane naočale:

1. propuštaju vibracije okomite na najčešće reflektirajuće površine (tlo, površina vode), 
2. blokiraju horizontalne vibracije. 

Ovo ćemo detaljnije objasniti u dijelovima koji slijede.

Više je načina na koje možemo dobiti polariziranu svjetlost od nepolarizirane: refleksijom, selektivnom apsorpcijom (na primjer pomoću polaroida), dvolomom ili raspršenjem. U nastavku ćemo opisati prva dva od navedenih načina.

Postoji više načina na koje možemo dobiti polariziranu svjetlost od nepolarizirane:

1. refleksijom,
2. selektivnom apsorpcijom (na primjer pomoću polaroida)
3. dvolomom ili
4. raspršenjem.

U nastavku ćemo opisati prva dva od navedenih načina.

Pogledajmo u sljedećoj animaciji što se događa nepolariziranoj svjetlosti koja upada na granicu između dva optička medija.

Pogledajmo sljedeću animaciju.

Što se događa nepolariziranoj svjetlosti koja upada na granicu između dva optička medija?

Dio upadne svjetlosti se na granici dvaju medija djelomično reflektira, a dio djelomično prolazi lomeći se.
Upadna, lomljena i reflektirana zraka leže u istoj ravnini. Ova ravnina je okomita na granicu optičkih medija ili dioptrijsku plohu.
Opaženo je da se više reflektiraju oni valovi čiji vektor jakosti električnog polja titra okomito na upadnu ravninu, a više prolaze valovi čiji vektor jakosti električnog polja titra paralelno s upadnom ravninom!

Općenito su reflektirana i lomljena zraka djelomično polarizirane tako da su im ravnine polarizacije međusobno okomite.

Svjetlost se na granici dvaju sredstva djelomično reflektira.

Svjetlost djelomično prolazi lomeći se.

Više se reflektiraju valovi čiji vektor jakosti električnog polja titra okomito na upadnu ravninu.

Više prolaze valovi čiji vektor jakosti električnog polja titra paralelno s upadnom ravninom.

Reflektirana i lomljena zraka su djelomično polarizirane. Ravnine polarizacije su im međusobno okomite.

Ravnina polarizacije reflektirane svjetlosti okomita je na ravninu refleksije dok je ravnina polarizacije lomljene svjetlosti u ravnini refleksije, odnosno u ravnini loma svjetlosti.
Reflektirana svjetlost je potpuno polarizirana samo u slučaju kada reflektirana i lomljena zraka zatvaraju kut od 90°. Ovo je uvjet potpune polarizacije reflektirane svjetlosti.

Ovu činjenicu eksperimentalno je utvrdio David Brewster. Upadni kut za koji je reflektirana zraka svjetlosti potpuno polarizirana, zove se Brewsterov kut, $$\alpha_{\mathrm B}$$.
Kut $$\alpha_{\mathrm B}$$ je kut upada pri kojem se reflektiraju samo valovi čiji vektor jakost električnog polja titra okomito na ravninu upada.

Ravnina polarizacije reflektirane svjetlosti okomita je na ravninu refleksije.

Ravnina polarizacije lomljene svjetlosti je u ravnini refleksije, tj. loma svjetlosti.

Reflektirana svjetlost je potpuno polarizirana samo u slučaju kada reflektirana i lomljena zraka zatvaraju kut od 90°. (Uvjet potpune polarizacije reflektirane svjetlosti!)

Ovu činjenicu eksperimentalno je utvrdio Brewster.

Upadni kut za koji se to događa zove se Brewsterov kut, $$\bm{\alpha_{\bf B}}$$.

$$\bm{\alpha_{\bf B}}$$ je kut upada pri kojem se reflektiraju samo valovi čiji vektor jakosti električnog polja titra okomito na ravninu upada.

Ako je kut između reflektirane i lomljene zrake 90°, tada je reflektirana zraka linearno polarizirana. Kut upada je tada jednak Brewsterovom kutu:        

$$\alpha=\alpha_{\mathrm B}$$

Vrijedi da je:

$$\alpha +\beta =90\degree =\dfrac{\pi }{2}$$

Reflektirana zraka je linearno polarizirana ako je kut između reflektirane i lomljene zrake 90°.

Kut upada je tada jednak (=) Brewsterovom kutu:

$$\alpha=\alpha_{\mathrm B}$$

Vrijedi:

$$\alpha +\beta =90\degree =\dfrac{\pi }{2}$$

Primjenom zakona loma:

$$\dfrac{\sin\alpha }{\sin(\dfrac{\pi }{2}-\alpha )}=\tg\alpha =n$$

Rezultat prethodnog razmatranja poznat je kao Brewsterov zakon.
Svjetlosna zraka odbijena od nekog prozirnog sredstva linearno je polarizirana ako je tangens kuta upada nepolarizirane zrake jednak indeksu loma tog sredstva:

$$\tg\alpha_{\mathrm B} = n$$

Primjenom zakona loma:

$$\dfrac{\sin\alpha }{\sin(\dfrac{\pi }{2}-\alpha )}=\tg\alpha =n$$

Rezultat prethodnog razmatranja poznat je kao Brewsterov zakon.

Svjetlosna zraka odbijena od nekog prozirnog sredstva je linearno polarizirana ako je tangens kuta upada nepolarizirane zrake jednak (=) indeksu loma tog sredstva:

$$\tg\alpha_{\mathrm B} = n$$

Prolaskom svjetlosti kroz pojedine kristale titranje nestane ili oslabi u nekim ravninama. Dikroični kristali propuštaju svjetlost čiji vektor jakosti električnog polje titra u određenom smjeru, ostalo apsorbiraju.
Sva optička sredstva ili uređaji koji polariziraju svjetlost nazivaju se polarizatori. Ako se takvi kristali određenim postupkom nanesu na plastičnu foliju, dobivena je polarizacijska folija.

Radi slabljenja svjetlosti, kristaličnim prahom mogu se nanijeti i na staklene površine, npr. sunčane naočale. Kako je reflektirana sunčeva svjetlost djelomično polarizirana, ona osjetno manje prolazi kroz polarizacijske naočale nego direktna. Tako polarizacijske naočale bolje eliminiraju svjetlost reflektiranu na cesti, vodi i sl.
Obične sunčane naočale podjednako slabe polariziranu i nepolariziranu svjetlost.

Titranje nestane ili oslabi u nekim ravninama prolaskom svjetlosti kroz pojedine kristale. 

Dikroični kristali propuštaju svjetlost čiji vektor jakosti električnog polje titra u određenom smjeru.

Ostalo apsorbiraju.

Sva optička sredstva ili uređaji koji polariziraju svjetlost nazivaju se polarizatori.

Ako se takvi kristali određenim postupkom nanesu na plastičnu foliju, dobivena je polaroidna folija.

Radi slabljenja svjetlosti, kristaličnim prahom mogu se nanijeti i na staklene površine, npr. sunčane naočale.

Reflektirana sunčeva svjetlost je djelomično polarizirana.

Ona osjetno manje prolazi kroz polaroidne naočale, nego direktna.

Tako polaroidne naočale bolje eliminiraju svjetlost reflektiranu na cesti, vodi i sl.

Obične sunčane naočale podjednako slabe polariziranu i nepolariziranu svjetlost.

Optički sustav koji prirodnu, nepolariziranu svjetlost polarizira naziva se polarizator. Zadatak polarizatora je da od upadne svjetlosti propusti samo jednu komponentu titranja električnog polja.
Optički sustav koji pokazuje da je svjetlost polarizirana zove se analizator.

Polarizator i analizator su prozirne optičke tvari koje sadrže unutar sebe električki vodljive lance. Ako svjetlost prođe kroz polarizator, onda se polarizira u jednom smjeru, a intenzitet svjetlosti ostaje jednak, međutim ako nakon polarizatora svjetlost dolazi na analizator, intenzitet svjetlosti koji prolazi kroz analizator ovisit će o međusobnom kutu između polarizatora i analizatora.

Optički sustav koji prirodnu, nepolariziranu svjetlost polarizira naziva se polarizator.

Zadatak polarizatora je da od upadne svjetlosti propusti samo jednu komponentu titranja električnog polja.

Optički sustav koji pokazuje da je svjetlost polarizirana zove se analizator.

Polarizator i analizator su prozirne optičke tvari koje sadrže unutar sebe električki vodljive lance.

Ako svjetlost prođe kroz polarizator, onda se polarizira u jednom smjeru.

Intenzitet svjetlosti ostaje jednak (=).

Ako nakon polarizatora svjetlost dolazi na analizator, intenzitet svjetlosti koji prolazi kroz analizator ovisit će o međusobnom kutu između polarizatora i analizatora.

Intenzitet je maksimalan ako su međusobno paralelni.

Intenzitet svjetlosti je minimalan ako su međusobno okomiti.

Polarizator i analizator mogu biti jednaki optički sustavi, ali u različitim ulogama.

Ako su polarizator i analizator međusobno paralelni, intenzitet svjetlosti koji prolazi analizatorom je maksimalan.

Polarizator i analizator mogu biti jednaki optički sustavi, ali u različitim ulogama.

Intenzitet svjetlosti koji prolazi analizatorom je maksimalan ako su polarizator i analizator međusobno paralelni.

Kada su polarizator i analizator međusobno okomiti, intenzitet svjetlosti koji prolazi analizatorom je  minimalan.

Intenzitet svjetlosti koji prolazi analizatorom je minimalan, kada su polarizator i analizator međusobno okomiti.

Bez obzira na smjer širenja vala, intenzitet propuštene polarizirane svjetlosti jednak je polovini prosječnog intenziteta nepolarizirane svjetlosti koja je došla na polarizator. Razlog tome je što se nepolarizirana svjetlost sastoji od valova svih smjerova polarizacije u jednakoj mjeri. Nadalje, električno se polje za svaki smjer može podijeliti u komponente okomito i paralelno s osi prijenosa, pa su komponente okomite i paralelne s osi jednake. Kao rezultat toga, polarizirajući materijal apsorbira onoliko električne (i magnetske) jakosti polja koliko je propušta.

Intenzitet propuštene polarizirane svjetlosti jednak (=) je polovini prosječnog intenziteta nepolarizirane svjetlosti koja je došla na polarizator. To se događa bez obzira na smjer širenja vala.

Razlog tome je što se nepolarizirana svjetlost sastoji od valova svih smjerova polarizacije u jednakoj mjeri.

Električno polje se za svaki smjer može podijeliti u komponente:

•  okomito
•  paralelno s osi prijenosa.

Stoga su komponente okomite i paralelne s osi jednake (=).

Kao rezultat toga, polarizirajući materijal apsorbira (upija) onoliko električne (i magnetske) jakosti polja koliko je propušta.

Jednom kada se polarizira svjetlost uz pomoć polarizatora, moguće je iskoristiti analizator za promjenu smjera polarizacije i istovremeno prilagoditi intenziteta svjetlosti. Na slici je prikazano kako. Kut između smjera propuštanja polarizatora i analizatora je $$\theta$$.

Prosječni intenzitet svjetlosti koji napušta analizator je dan relacijom

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

gdje je $$I$$ intenzitet svjetlosti koja je prošla analizator, a $$I_0$$ intenzitet svjetlosti koja je u njega ušla (tj. jednak je polovici intenziteta nepolarizirane svjelosti).

Kada se polarizira svjetlost uz pomoć polarizatora, moguće je iskoristiti analizator za promjenu smjera polarizacije i istovremeno prilagoditi intenzitet svjetlosti.

Na slici je prikazano kako.

Kut između smjera propuštanja polarizatora i analizatora je $$\bm \theta$$.

Prosječni intenzitet svjetlosti koji napušta analizator je dan relacijom

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

gdje je $$I$$ intenzitet svjetlosti koja je prošla analizator, a $$I_0$$ intenzitet svjetlosti koja je u njega ušla (tj. jednak je polovici intenziteta nepolarizirane svjelosti).

Polarizacijske naočale omogućuju nam da vidimo projekciju stereoskopskog filma na ravnom ekranu u tri dimenzije. Vizija u tri dimenzije prvenstveno je rezultat činjenice da slika koju vidimo nastaje od informacija koje daju oba oka istodobno, a pri tome svako oko gleda prizor iz malo drugačijeg kuta. Da se uvjerite u to da svako oko vidi drugačije, držite uspravno prst u dužini ruke i pogledajte kako se čini da se pomiče u položaju s lijeva na desno ispred pozadine dok naizmjenično zatvarate svako oko.

Polaroidne naočale omogućuju nam da vidimo projekciju stereoskopskog filma na ravnom ekranu u tri dimenzije.

Vizija u tri dimenzije rezultat je činjenice da slika koju vidimo nastaje od informacija koje daju oba oka istodobno.

Pri tome svako oko gleda prizor iz malo drugačijeg kuta.

Istražite!

Držite uspravno prst u dužini ruke.

Čini se da se pomiče u položaju s lijeva na desno ispred pozadine dok naizmjenično zatvarate svako oko.

Crteži na slici prikazuju stereo prikaz kristalne strukture od leda.

Pogledajte sliku i odgovorite na pitanja u nastavku.
(Linije na naočalama predočuju smjer polarizacije.)

Pogledajte sliku.

Odgovorite na pitanja.

Polarizacija svjetlosti je pojava nesimetričnog titranja električnoga i magnetskoga polja svjetlosnog vala. Nastaje međudjelovanjem svjetlosti i tvari. 

Do polarizacije svjetlosti refleksijom dolazi pri upadu zrake svjetlosti na granicu optičkih sredstava gdje se svjetlost djelomično lomi, a djelomično reflektira. Ako reflektirana i lomljena zraka zatvaraju pravi kut, dolazi do potpune, linearne polarizacije.

Do polarizacije svjetlosti selektivnom apsorpcijom dolazi prolaskom svjetlosti kroz pojedine kristale gdje titranje električnog polja u nekim ravninama oslabi ili nestane. Ovo se često koristi, primjerice u polarizacijskim sunčanim naočalama.

Polarizacija svjetlosti je pojava nesimetričnog titranja električnoga i magnetskoga polja svjetlosnog vala.

Nastaje međudjelovanjem svjetlosti i tvari. 

Do polarizacije svjetlosti refleksijom dolazi pri upadu zrake svjetlosti na granicu optičkih sredstava gdje se svjetlost:

• djelomično lomi,
• djelomično reflektira.

Dolazi do potpune, linearne polarizacije ako reflektirana i lomljena zraka zatvaraju pravi kut.

Do polarizacije svjetlosti selektivnom apsorpcijom dolazi prolaskom svjetlosti kroz pojedine kristale gdje titranje električnog polja u nekim ravninama oslabi ili nestane.

Primjerice, ovo se često koristi u polarizacijskim sunčanim naočalama.