Polarizare
Polarizarea este o proprietate a undelor transversale. Pentru lumină, ea descrie modul în care direcția câmpului electric se modifică în planul perpendicular pe propagare. Nu schimbă prin ea însăși frecvența și nu este doar o altă proprietate a culorii.
Polarizarea arată caracterul transversal al luminii
Lumina nepolarizată nu are o direcție transversală privilegiată și stabilă a câmpului electric. În lumina liniar polarizată, câmpul oscilează de-a lungul unei direcții definite. Posibilitatea de polarizare liniară este o dovadă importantă a naturii transversale a undei electromagnetice.
Pe lângă polarizarea liniară există polarizare circulară și eliptică. Ele rezultă din două componente perpendiculare ale câmpului cu rapoarte potrivite de amplitudine și fază; starea de polarizare este deci definită atât de orientare, cât și de faza relativă.
Un polarizator selectează o singură axă de oscilație
Un polarizator liniar ideal transmite componenta câmpului electric paralelă cu axa sa de transmisie și suprimă componenta perpendiculară.
Un polarizator real nu este ideal: o mică parte din componenta nedorită poate trece, iar transmisia pe axa principală poate fi subunitară. Calitatea este descrisă adesea prin raportul de extincție.
Legea lui Malus
Pentru o undă liniar polarizată, analizorul transmite E = E₀ cos θ. Deoarece intensitatea este proporțională cu E², rezultă legea lui Malus: I = I₀ cos²θ. Lumina nepolarizată după primul polarizator ideal are în medie I = I_in/2.
I = I₀ cos²θ
Explorați legea lui Malus
Legea lui Malus se aplică luminii care este deja liniar polarizată înainte de analizor. Pentru o intrare nepolarizată trebuie aplicat mai întâi factorul mediu 1/2. Pentru mai multe analizoare, factorul cos² se aplică succesiv.
Plăcile de fază nu selectează pur și simplu o axă precum un polarizator. Ele introduc o întârziere de fază controlată între două componente perpendiculare și pot transforma polarizarea liniară în circulară sau eliptică. Pentru descrierea completă sunt necesare atât amplitudinile, cât și faza relativă.
Reflexia poate polariza și ea lumina
La reflexia pe o suprafață dielectrică, componentele s și p nu se reflectă identic. La unghiul Brewster, în modelul ideal componenta p reflectată dispare, iar lumina reflectată este puternic liniar polarizată: tan θ_B = n₂/n₁.
tan θB = n₂/n₁
La unghiul Brewster nu dispare toată lumina reflectată. În modelul ideal dispare doar componenta p, în timp ce componenta s rămâne. Raza reflectată și cea refractată sunt atunci perpendiculare.
Trei verificări înainte de a folosi legea lui Malus
Înainte de calcul verificați: (1) lumina incidentă este deja liniar polarizată sau este nepolarizată; (2) față de ce axă se măsoară θ; (3) I₀ reprezintă intensitatea chiar înaintea analizorului. Aceste verificări evită erorile frecvente cu factorul 1/2 și cu cos²θ.
Filtrele de polarizare sunt folosite pentru reducerea reflexiilor, analiza tensiunilor, ecrane și măsurări optice. Mecanismul comun este controlul orientării și fazei câmpului electric, nu schimbarea energiei fotonului.
Exemple rezolvate
1. Analizor la 60°
Lumina liniar polarizată cu intensitatea I₀ trece printr-un analizor rotit cu 60°.
Soluție
I/I₀ = cos²60° = 0,25.
2. Primul polarizator ideal
Lumina nepolarizată de 80 W/m² trece printr-un polarizator ideal.
Soluție
Intensitatea medie devine 40 W/m².
3. Al doilea analizor
După primul polarizator I = 40 W/m², iar al doilea este la 30°.
Soluție
I = 40 cos²30° = 30 W/m².