Polarisaatio

Polarisaatio kuvaa poikittaisen aallon värähtelyn suuntaa. Valolle se määritellään tavallisesti sähkökentän suunnan avulla. Polarisaattori tekee tämän suunnan mitattavaksi ja hallittavaksi.

Mitä polarisoitunut valo tarkoittaa

Polarisaatio osoittaa sähkömagneettisen aallon poikittaisen luonteen. Lineaarinen polarisaattori päästää läpi sähkökentän komponentin oman läpäisyakselinsa suunnassa. Polarisoitumattomassa valossa poikittaiset suunnat vaihtelevat nopeasti, lineaarisesti polarisoituneessa valossa kentällä on määrätty suunta.

Ilman pitkittäisellä ääniaallolla ei ole vastaavaa polarisaatiovapausastetta, koska väliaineen siirtymä on pääosin etenemissuunnassa.

Lineaarinen polarisaattori projisoi sähkökentän läpäisyakselilleen.
Lineaarinen polarisaattori projisoi sähkökentän läpäisyakselilleen.

Ideaalinen lineaarinen polarisaattori

Kun tulovalo on polarisoitumatonta, ensimmäisen ideaalisen polarisaattorin jälkeen keskimääräinen intensiteetti on I = Iupol/2. Jos I₀ kuvaa jo polarisoitunutta valoa, puolituskerrointa ei lisätä uudelleen.

Toinen polarisaattori eli analysaattori vertaa akseliaan valon olemassa olevaan polarisaatiosuuntaan. Yhdensuuntaiset akselit läpäisevät eniten, ristikkäiset ideaalit akselit eivät mitään.

Malusin laki

Lineaarisesti polarisoituneelle valolle I = I₀ cos²θ. Kulma θ mitataan polarisaatiosuunnan ja analysaattorin akselin väliltä. Kentän amplitudi projisoituu cos θ -kertoimella ja intensiteetti on amplitudin neliöön verrannollinen.

Kulmalla 60° intensiteetiksi jää neljäsosa I₀:sta. Kulmalla 90° ideaalinen tulos on nolla, mutta todelliset suodattimet vuotavat ja absorboivat.

Malusin laki

Kahden polarisaattorin tapauksessa analysaattorin läpäisy noudattaa cos²θ-riippuvuutta.θ
Kahden polarisaattorin tapauksessa analysaattorin läpäisy noudattaa cos²θ-riippuvuutta.

Heijastus voi polarisoida valoa

Ei-metallisilta pinnoilta heijastuminen suosii usein tiettyä polarisaatiosuuntaa. Siksi polarisoivat aurinkolasit vähentävät tien ja veden häikäisyä. Brewsterin kulmassa heijastunut ja taittunut säde ovat kohtisuorassa.

Ilmiö seuraa sähkömagneettisen kentän rajapintaehdoista; kyse ei ole erillisestä “polarisaatiovoimasta”.

Mallin rajat

Malusin laki olettaa, että I₀ on määritelty lineaarisesti polarisoituneelle valolle ennen analysaattoria. Se ei itsessään kuvaa todellisen polarisaattorin absorptiota eikä pyöreää tai elliptistä polarisaatiota ilman kentän komponenttien erittelyä.

Kokeessa relevantti kulma on nimenomaan akselien välinen kulma, ei suodattimien absoluuttinen asento pöytään nähden.

Ratkaistut esimerkit

1. Analysaattori 60°

I₀ = 80 W m⁻² ja θ = 60°. Laske I.

Ratkaisu

I = 80 cos²60° = 20 W m⁻².

2. Ensimmäinen polarisaattori

Polarisoitumattoman valon intensiteetti on 100 W m⁻².

Ratkaisu

Ideaalisen ensimmäisen polarisaattorin jälkeen saadaan 50 W m⁻².

3. Ristikkäiset polarisaattorit

Polarisoitunut valo osuu ideaaliseen analysaattoriin kulmassa 90°.

Ratkaisu

cos²90° = 0, joten ideaalituloksena I = 0.