Polaryzacja – własność
fali
poprzecznej
(np.
światła
). Fala spolaryzowana
oscyluje
tylko w pewnym wybranym kierunku. Fala niespolaryzowana oscyluje we wszystkich kierunkach jednakowo. Fala niespolaryzowana może być traktowana jako złożenie wielu fal drgających w różnych kierunkach.
W naturze większość źródeł
promieniowania elektromagnetycznego
wytwarza fale niespolaryzowane. Polaryzacja występuje tylko dla fal rozchodzących się w ośrodkach, w których drgania ośrodka mogą odbywać się w dowolnych kierunkach prostopadłych do rozchodzenia się fali. Ośrodkami takimi są trójwymiarowa
przestrzeń
lub
struna
.
Gdy ośrodek fali nie może drgać w dowolnych kierunkach prostopadłych względem rozchodzenia się fali, zjawisko polaryzacji jest niemożliwe. Dotyczy to np. drgań na powierzchni
membrany
i na granicach
faz
. Przykładem tego są m.in.
fale morskie
.
Fale dźwiękowe
również nie podlegają zjawisku polaryzacji, gdyż są
falami podłużnymi
.
Teoria
Podstawy: fale płaskie
Najłatwiej jest sobie wyobrazić polaryzację płaskich fal
sinusoidalnych
. W większości przypadków światło to fale płaskie. Płaska fala elektromagnetyczna cechuje się tym, że
wektory
pola
magnetycznego
oraz
elektrycznego
prostopadłe do siebie leżą w jednej
płaszczyźnie
prostopadłej do kierunku
propagacji
fali, wektory te są zależne od siebie i podanie jednego jednoznacznie określa drugi dlatego przyjmuje się, że polaryzacja światła to zjawisko związane wyłącznie z wektorem pola elektrycznego. Wektor ten można rozłożyć na dwie składowe prostopadłe do siebie. Zmiany tych składowych można opisać
funkcjami
sinusoidalnymi, a zatem wystarczy podać ich
fazę
,
amplitudę
oraz
częstotliwość
, aby je jednoznacznie zdefiniować, przy czym obie składowe wektora pola elektrycznego zawsze mają taką samą częstotliwość, która odpowiada częstotliwości analizowanej fali elektromagnetycznej.
Rodzaje polaryzacji
Umieszczone tutaj ilustracje przedstawiają zmiany położenia punktu dla fali mechanicznej lub wektora pola elektrycznego dla fali elektromagnetycznej (czarny) w czasie oraz jego składowych rzutowanych na dwie prostopadłe osie (czerwony/lewy oraz granatowy/prawy) ustawione pod kątem prostym do płaszczyzny czoła fali. Na dole każdego wykresu kolorem fioletowym oznaczono ruch elementu drgającego.
Schemat polaryzacji liniowej | Schemat polaryzacji kołowej | Schemat polaryzacji eliptycznej |
Przypadek po lewej, to polaryzacja liniowa, drganie odbywa się wzdłuż linii prostej. Każde drganie można przedstawić jako sumę drgań wzdłuż osi X i Y. W przypadku polaryzacji liniowej drgania składowe są w
fazie
lub w przeciwfazie (180°). Stosunek amplitud drgań składowych określa kierunek drgania, a tym samym i polaryzację. Brak jednej ze składowych odpowiada polaryzacji wzdłuż osi. W polaryzacji liniowej przemieszczenie (natężenie pola elektrycznego) punktu w każdym cyklu przechodzi dwa razy przez zero.
Przypadek środkowy ilustruje polaryzację kołową. Drganie to odpowiada ruchowi po okręgu. Można je rozłożyć na dwa drgania o jednakowych amplitudach ale o fazach przesuniętych dokładnie o 90° lub 270° (-90°). W zależności do tego, czy fazy są przesunięte o 90° czy 270°, mówi się o polaryzacji kołowej prawoskrętnej lub polaryzacji kołowej lewoskrętnej. Wynika to z faktu, że wektor wychylenia może obracać się albo w lewo albo w prawo. W polaryzacji kołowej przemieszczenie (natężenie pola elektrycznego) ma zawsze taką samą wartość, zmienia się tylko kierunek przemieszczenia.
Trzeci rysunek przedstawia polaryzację eliptyczną, która jest uogólnieniem polaryzacji kołowej. Ruch ciała wytwarzającego drganie odbywa się po elipsie. Drganie to rozkłada się, podobnie jak w polaryzacji kołowej, na drgania o fazie przesuniętej o 90° lub 270° ale drgania składowe mają różne amplitudy. Polaryzacja eliptyczna może być wyrażona jako złożenie polaryzacji liniowej i kołowej.
Opis matematyczny
Równanie fali poprzecznej rozchodzącej się wzdłuż osi Z oraz wywołane nią drganie w wybranym punkcie (z=0) mogą być opisane wzorami:
- – to odpowiednio
wersory
osi X i Y określające kierunek drgań,
- Ax,Ay – amplitudy drgań w wyznaczonych kierunkach,
- φx,φy – przesunięcia fazowe drgań.
Jeżeli φx = φy lub φx = φy + / − π to drgania te można przedstawić jako drgania co odpowiada polaryzacji liniowej w kierunku v (rys. 1).
Jeżeli oraz Ax = Ay = A to bez uwzględniania fazy początkowej drgania można opisać równaniem . Równanie to jest równaniem okręgu i oznacza polaryzację kołową (rys. 2).
W ogólnym przypadku, gdy składowe mają różne amplitudy, wypadkowy ruch jest elipsą, stan ten opisuje pierwsze z przytoczonych równań, będące parametrycznym równaniem elipsy, a taki stan polaryzacji jest polaryzacją eliptyczną (rys. 3).
Analiza Jonesa
Stosując
Wzór Eulera
przyjmując, że znaczenie fizyczne ma tylko część rzeczywista wektora równanie fali poprzecznej można opisać równaniem:
Równanie to jest iloczynem, w którym pierwszy czynnik odpowiada za "falowanie", drugi będący sumą wektorów ma wartość stałą dla danej fali i opisuje jej stan polaryzacji.
Pomijając w zapisach czynnik oscylacyjny jako oczywisty, podobnie jak to się robi w analizie przemiennego prądu elektrycznego, oraz zapisując drugi czynnik w konwekcji wektorowej stan polaryzacji można opisać w postaci:
gdzie: a1,a2 – amplitudy w fali w dwóch ortogonalnych kierunkach, a θ1,θ2 – przesunięcia fazowe fal.
Analizę taką z zastosowaniem wektorów i macierzy liczb zespolonych opracował w
1941
r.
R. C. Jones
. Metoda ta zwana jest rachunkiem Jonesa. W analizie tej stan polaryzacji światła przedstawiany jest
wektorem Jonesa
układ optyczny opisuje
macierz Jonesa
.
Różne wektory Jonesa mogą reprezentować tą samą elipsę, a więc taki sam stan polaryzacji. Fizyczne pole elektryczne, jako część rzeczywista wektora Jonesa może być różna, ale stan polaryzacji jednakowy, gdyż stan polaryzacji jest niezależny od absolutnych wartości faz, ale zależy od różnic faz odpowiadającym wybranym osiom.
Wektory
bazowe
wykorzystywane do opisu fali mogą być dowolną parą wektorów leżących w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali, muszą to być wektory ortogonalne czyli, takie dla których
iloczyn skalarny
jest równy
zero
i można zbudować z nich dowolny wektor w tej płaszczyźnie. Często w miejsce wektorów układu kartezjańskiego wybierane są wektory reprezentujące prawoskrętną i lewoskrętną polaryzację kołową, co pozwala na modelowanie bardzo powszechnych zjawisk zachodzących w ośrodkach dwójłomnych lub dróg sygnałowych koherentnych czujników mierzących polaryzację kołową.
Polaryzacja częściowa
Obraz fali przedstawiony powyżej jest dużym uproszczeniem. W rzeczywistości większość fal nie jest wytwarzana przez jedno źródło, lecz przez bardzo wiele niezależnych źródeł drgających w przypadkowych kierunkach z przypadkowymi amplitudami. W takiej sytuacji suma emisji wszystkich źródeł, daje w efekcie promieniowanie całkowicie pozbawione polaryzacji. W fali niespolaryzowanej drgania występują we wszystkich możliwych kierunkach z jednakowym prawdopodobieństwem. W pewnych sytuacjach jeden z kierunków drgań może stać się uprzywilejowany i drgania w tym kierunku będą zachodziły z większą amplitudą niż w innych, co powoduje częściową polaryzację. Gdyby końce wektorów pola elektrycznego dla takiego promieniowania nanieść na wykres, uzyska się rozmazany kształt przypominający wypełnioną elipsę dla fali częściowo spolaryzowanej liniowo, a elipsę z mniejszym wypełnieniem w środku dla fali spolaryzowanej częściowo eliptycznie. Dla polaryzacji częściowej określa się poziom polaryzacji.
Parametryczny opis polaryzacji
Schemat elipsy opisującej polaryzację
Odbicie fali płaskiej od płaszczyzny prostopadłej do płaszczyzny rysunku. Składowe p fali znajdują się w płaszczyźnie rysunku, podczas gdy składowe s są do niej prostopadłe oznaczone są kółkami.
Jak przedstawiono wyżej w opisie i na rysunkach każdą falę spolaryzowaną, zarówno liniowo, kołowo jak i eliptycznie można przedstawić jako złożenie dwóch fal o jednakowej częstotliwości drgających w kierunkach wzajemnie prostopadłych i prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Każdą spolaryzowaną falę można przedstawić także jako sumę fal spolaryzowanych kołowo. Fala spolaryzowana liniowo jest sumą fali spolaryzowanej lewo- i prawoskrętnie.
Polaryzacja eliptyczna jest ogólnym stanem polaryzacji, dlatego by opisać polaryzację można posłużyć się
elipsą
w przypadku fali elektromagnetycznej elipsa ta odpowiada torowi końca
wektora
pola elektrycznego
. Podobnie jak elipsę można opisać różnymi równaniami, tak i polaryzację można opisać w różny sposób. Oprócz wyżej podanego parametrycznego równania zależnego od współrzędnych (X i Y), często parametrami opisującymi polaryzację są: kąt pomiędzy osią X i główną półosią elipsy (Ψ) oraz współczynnik eliptyczności, czyli stosunek głównej i mniejszej półosi elipsy (ε). Czasami używa się też współczynnika kąta eliptyczności (χ) obliczanego jako
arctg
(ε) (szczegóły w artykule
elipsa
). Na schemacie obok oznaczono poszczególne parametry.
Stosowane nazewnictwo
Niezależnie od tego czy polaryzacja opisywana jest poprzez parametry geometryczne czy przez wektory Jonesa, kierunek rozchodzenia się fali narzuca wybór układu współrzędnych, drgania odbywają się w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali dlatego kierunki bazowe muszą leżeć w tej płaszczyźnie. Wynika stąd, że wybór układu dopuszcza obrót wokół kierunku propagacji.
Jeżeli rozważane jest światło (fala) rozchodzące się poziomo do powierzchni ziemi, powszechnie przyjęto określanie polaryzacji poziomej (horyzontalnej) i pionowej (wertykalnej). W publikacjach układ współrzędnych wiąże się z płaszczyzną ilustracji, wprowadzając pojęcie polaryzacji równoległej do płaszczyzny ilustracji oznaczanej przez p oraz polaryzacji prostopadłej – oznaczanej przez s. Taka sytuacji została zilustrowana na diagramie po prawej. W astronomii powszechnie kierunki polaryzacji określa się względem
układu współrzędnych równikowych
.
Zjawiska związane z polaryzacją
Tekst poniżej opisuje polaryzację fal elektromagnetycznych, choć zjawiska te zachodzą też dla fal mechanicznych, przykładowo
fal sejsmicznych
rozchodzących się w Ziemi.
Sposoby polaryzacji
Falę spolaryzowaną można uzyskać poprzez:
- selektywną emisję – źródło fali wykonuje drgania w jednym kierunku,
- selektywne pochłanianie – ośrodek przez który przechodzi fala pochłania falę o jednym kierunku polaryzacji, a przepuszcza o przeciwnej,
- pojedyncze rozproszenie – rozproszenie w kierunku prostopadłym tworzy falę spolaryzowaną,
- odbicie od ośrodka przezroczystego,
-
dwójłomność
(podwójne
załamanie
).
Selektywna emisja
Fala elektromagnetyczna, której jednym ze składników jest pole elektryczne, powstaje w wyniku zmian tego pola. Zmiany te powstają w wyniku przyspieszania
ładunku elektrycznego
. Natężenie pola elektrycznego, a tym samym i jego zmiany, w powstającej fali ma kierunek taki sam jak natężenie pola elektrycznego wytwarzającego falę i rozchodzi się w przestrzeni.
Pojedynczy
dipol
, np. dipolowa antena radiowa zasilana prądem przemiennym lub pobudzony do drgań
elektron
, promieniuje we wszystkich kierunkach, ale nie jednakowo silnie. Natężenie promieniowania w wybranym kierunku jest proporcjonalne do
rzutu prostokątnego
dipola na płaszczyznę prostopadłą do wybranego kierunku.
Polaryzacja fal radiowych
Antena w postaci dipola wytwarza falę radiową spolaryzowaną zgodnie z ustawieniem dipola. Radiofonia na
falach długich
i
średnich
używa polaryzacji pionowej (zmiany natężenia pola elektrycznego mają pionowy kierunek) ze względu na wykorzystanie pionowego masztu jako anteny. Telewizja w transmisji naziemnej używa polaryzacji poziomej, tak by można było odbierać jedną anteną wszystkie stacje telewizyjne (były wyjątki). Służby techniczne pracujące na zakresie
fal decymetrowych
, by ograniczyć wzajemne zakłócenia telewizji i służb stosują polaryzację pionową.
W
telewizji satelitarnej
różną polaryzację stosuje się do zwiększenia liczby kanałów dostępnych w tym samym paśmie.
Antena wytwarzająca falę spolaryzowaną kołowo składa się z dwóch dipoli ustawionych prostopadle i zasilanych drganiami z przesunięciem fazowym o 90 stopni.
Fale radiowe w wyniku wielokrotnego rozproszenia tracą swoją polaryzację.
Promieniowanie cieplne
Promieniowanie cieplne, w tym także świecenie rozgrzanych ciał, powstaje w wyniku przypadkowych ruchów cząsteczek i dlatego światło emitowane przez rozgrzane ciała nie jest spolaryzowane.
Inne źródła
Niektóre źródła promieniowania elektromagnetycznego, w których kierunek drgań cząstek naładowanych (np. elektronów) jest wymuszony, wytwarzają światło spolaryzowane – np. znajdujące się w silnym polu elektrycznym lub magnetycznym cząstki o anizotropowej budowie, cząstki ustawione oddziaływaniem międzycząsteczkowym wytwarzają promieniowanie spolaryzowane. Linie spektroskopowe światła powstającego w polu magnetycznym, jeżeli pole magnetyczne wpływa na poziomy energetyczne, również są spolaryzowane. Na podobnej zasadzie spolaryzowane jest
promieniowanie synchrotronowe
.
Jeżeli drgania cząstek nie są wymuszone w danym kierunku, lecz tylko uprzywilejowane, to polaryzacja emitowanego światła jest częściowa.
Zjawiska te stosuje się w astronomii do badania pól magnetycznych w miejscu emisji lub pochłaniania promieniowania.
Selektywne pochłanianie
Gdy w przestrzeni, w której rozchodzi się fala drgania w jednym z kierunków są tłumione, a w prostopadłym do niego nie są, to fala rozchodząc się w tym ośrodku utraci drgania w jednym kierunku, czyli ulegnie polaryzacji.
Przykładem takiego ośrodka dla fali elektromagnetycznej może być drabinka z drutów, czyli układ cienkich równoległych drutów przewodzących prąd elektryczny. Średnica drutów i odległość między nimi musi być porównywalna z długością fali. Układ taki pochłania fale, których drgania wektora elektrycznego są równoległe do drutów, a przepuszcza fale o drganiach prostopadłych do drutów. Układy takie buduje się dla fal radiowych i mikrofal. Układy dla fal krótszych (
podczerwień
,
światło widzialne
) też są zbudowane w ten sposób, lecz rolę drutów przejmują odpowiednio ułożone cząsteczki związków chemicznych. Polaryzator liniowy zwany
polaroidem
wykonuje się poprzez rozciąganie w trakcie produkcji folii wykonanej z odpowiedniego tworzywa sztucznego, w wyniku czego powstaje układ równolegle ułożonych cząsteczek pochłaniających fale elektromagnetyczne drgające w jednym kierunku.
Pojedyncze rozproszenie fali
Cząstka rozpraszająca pochłania falę elektromagnetyczną wytwarzając drgania ładunków cząstki (zazwyczaj elektronów). Drgania te mogą być przedstawione jako złożenie dwóch prostopadłych kierunków, które są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Kierunki te można wybrać dowolnie – najlepiej, jeżeli jeden z nich jest zawarty w płaszczyźnie utworzonej przez punkty źródło – cząstka rozpraszająca – obserwator. Drganie to może wywołać falę elektromagnetyczną, jej amplituda jest proporcjonalna do rzutu wektora wywołującego drganie tak jak widzi go obserwator. Jeżeli źródło – cząstka rozpraszająca – obserwator tworzą kąt prosty, to rzut wektora w kierunku obserwatora jest zerowy. Oznacza to, że fala elektromagnetyczna rozproszona pod kątem prostym nie zawiera fali w tej płaszczyźnie czyli jest spolaryzowana liniowo w kierunku prostopadłym do płaszczyzny źródło – cząstka rozpraszająca – obserwator. Fala (światło) rozproszona w innym kierunku jest częściowo spolaryzowana.
Zjawisko to odpowiada za:
- polaryzację błękitu nieba,
- częściową polaryzację
tęczy
i
halo
,
Analizując polaryzację światła rozproszonego można określić kąt rozproszenia, czyli określić kierunek padania światła na gaz rozpraszający. Własności te są stosowane w astronomii.
Wielokrotne rozproszenie
Rozproszenie światła w wyniku wielokrotnego rozproszenia w tym rozproszenia w ośrodku składającym się z dwóch substancji przezroczystych, niszczy polaryzację światła.
Odbicie od ośrodka przeźroczystego
Gdy światło pada na granicę ośrodków przeźroczystych pod takim kątem (
kąt Brewstera
), że promień odbity tworzy z promieniem załamanym kąt 90°, to światło odbite jest całkowicie spolaryzowane liniowo, a światło przechodzące jest spolaryzowane częściowo. Zjawisko polaryzacji przez odbicie zostało odkryte w 1809 r. przez
Malusa
.
Pochłonięcie światła o polaryzacji zgodnej z polaryzacją światła odbitego umożliwia redukcję odblasków od powierzchni wody, szyby itp. stosowane jest w fotografii i astronomii.
Na tej zasadzie działa okienko Brewstera stosowane w
laserach
wytwarzających światło spolaryzowane. Lasery pozbawione tego okienka wytwarzają światło niespolaryzowane.
Dla innych kątów padania światła, światło odbite jest częściowo spolaryzowane. Im kąt padania bardziej rożni się od kąta Brewstera, tym stopień polaryzacji światła odbitego jest mniejszy.
Odbicie od metalu
Odbicie światła od powierzchni metalu nie polaryzuje światła niespolaryzowanego, ale zmienia stan polaryzacji odbitego pod kątem światła, np. światło spolaryzowane liniowo po odbiciu od gładkiej powierzchni metalowej zmienia polaryzację na eliptyczną, a przy odpowiednim kącie na kołową.
Zmiana polaryzacji wynika z tego, że składowa elektryczna promieniowania równoległa do powierzchni metalu odbija się w nim bliżej powierzchni od składowej prostopadłej, odbijającej się głębiej, ta różnica w miejscu odbicia wywołuje różnicę w czasie przebiegu składowych polaryzacji wywołując przesunięcie fazowe obu składowych, co zmienia parametry elipsy polaryzacji.
Dwójłomność
Gdy światło pada na niektóre substancje, rozdziela się na dwie wiązki o prostopadłych polaryzacjach liniowych. Zjawisko to, zwane podwójnym załamaniem lub
dwójłomnością
, wykorzystuje się do otrzymywania wiązki światła spolaryzowanego w
pryzmacie Nicola
.
Światło padając prostopadle na substancje dwójłomne, w których
oś optyczna
jest równoległa do powierzchni na którą pada światło, nie rozdziela się, ale jego składowe poruszają się z różnymi prędkościami. Zjawisko to wykorzystywane jest do zmiany polaryzacji światła w
płytkach ćwierćfalowych
i
płytkach półfalowych
. Uzyskanie przez substancję dwójłomności w kierunku przyłożonego pola nosi nazwę
Efekt Pockelsa
i stosowane jest do uzyskiwania sterowanych napięciem elektrycznym płytek n-falowych zwanych komórkami Pockelsa.
Wiele substancji przeźroczystych, które w normalnych warunkach nie są dwójłomne, pod wpływem pola elektrycznego lub magnetycznego stają się dwójłomne. Zjawisko to na cześć odkrywcy nosi nazwę
efektu Kerra
i znalazło zastosowanie do modulacji światła polem elektrycznym w przyrządach zwanych
komórkami Kerra
.
Skręcenie kierunku polaryzacji
Wiele substancji organicznych (np.
sacharoza
rozpuszczona w wodzie) zmienia kierunek polaryzacji światła przechodzącego przez roztwór. Zjawisko to zwane
aktywnością optyczną
jest stosowane do rozpoznawania cukrów, a także do określania stężenia cukru w soku buraczanym.
Aktywność optyczną wykazują te związki organiczne których cząsteczki zawierają
asymetryczny atom węgla
, tzn. atom węgla związany z czterema różnymi podstawnikami. Cząsteczki takie mogą występować w dwóch formach, zwanych
enancjomerami
, będących wzajemnie swymi odbiciami lustrzanymi. Enancjomery skręcają płaszczyznę polaryzacji przechodzącego światła w przeciwnych kierunkach. Z tego powodu mieszanina zawierająca równe ilości obydwu enancjomerów (tzw.
mieszanina racemiczna
) nie skręca płaszczyzny polaryzacji.
Praktyczne znaczenie polaryzacji
Filtry polaryzacyjne
Animacja doświadczenia z dwoma filtrami polaryzującymi, umieszczonymi jeden za drugim, ilustrująca zjawisko polaryzacji
Zdjęcie wykonane z filtrem polaryzacyjnym (po lewej) i bez filtra (po prawej)
Aby uzyskać światło spolaryzowane można wykorzystać
filtr polaryzacyjny
. Ma on zdolność do przepuszczania tylko fal świetlnych o polaryzacji liniowej. Kierunek tej polaryzacji jest stały i ściśle związany z konstrukcją filtra. Jeżeli przepuści się światło niespolaryzowane przez dwa takie filtry i zacznie je obracać, to światło na zmianę będzie przygasać oraz rozbłyskać. Kiedy dwa filtry polaryzacyjne są ustawione tak, że przepuszczają tylko fale oscylujące w prostopadłych płaszczyznach, to światło nie przechodzi. Jeżeli płaszczyzny polaryzacji są takie same, to efekt jest taki jak dla jednego filtra.
Filtry polaryzacyjne są stosowane np. w
okularach przeciwsłonecznych
, gdzie zmniejszają jasność nieba w słoneczny dzień, blokują spolaryzowane światło odbite od poziomych płaszczyzn (co jest szczególnie ważne przy kierowaniu samochodem) i zwiększają kontrastowość obrazu. Filtry tego rodzaju są też stosowane w fotografii, gdzie zapobiegają pojawianiu się blików na zdjęciach.
Wyświetlacze
Schemat wyświetlacza LCD – 1-polaryzator pionowy, 2 i 4- szyba z przeźroczystymi elektrodami, 3-ciekły kryształ, 5-polaryzator poziomy, 6-powierzchnia odbijająca
Polaryzacja jest praktycznie wykorzystywana w
wyświetlaczach ciekłokrystalicznych
(LCD).
Ciekły kryształ
, do którego przyłożono
napięcie elektryczne
, powoduje zmianę płaszczyzny polaryzacji przechodzącego przez niego światła. Jeżeli połączony zostanie szereg ciekłych kryształów oddziałujących z różnymi
długościami
promieniowania, to można w ten sposób uzyskać obraz kolorowy. Zmiana polaryzacji światła odnosi się tylko do promieni biegnących prostopadle do płaszczyzny ekranu. W efekcie obraz z wyświetlacza LCD staje się niewyraźny, gdy patrzy się na niego z boku. Ludzkie oko nie dostrzega polaryzacji i dlatego ekran może zawierać filtry polaryzacyjne.
Projektory obrazu trójwymiarowego
Kolejnym praktycznym wykorzystaniem zjawiska polaryzacji jest technika projekcji na dużym ekranie dla wielu widzów jednocześnie, stosowana m.in. w kinach
IMAX
.
Kamera
IMAX posiada dwa obiektywy i rejestruje równocześnie dwa obrazy. Ich osie optyczne są przesunięte względem siebie o odległość zbliżoną do rozstawu ludzkich oczu (lub inną odległość w przypadku efektów specjalnych).
Projektor także jest podwójny. Równocześnie wyświetlane są dwa obrazy, każdy z nich przez swój obiektyw, wyposażony w filtr polaryzacyjny. Jeden filtr obrócony jest względem drugiego o 90° (tradycyjny układ płaszczyzn polaryzacji "V" zastąpiono w systemie IMAX układem "L").
Widz zakłada specjalne okulary wyposażone w filtry polaryzacyjne. Płaszczyzny polaryzacji w okularze lewym i prawym są ustawione analogicznie do filtrów w projektorze, dzięki czemu do każdego oka widza dociera tylko jeden, przeznaczony dla niego obraz. W efekcie jedno oko widzi film wyświetlany przez lewy projektor, a drugie przez prawy i do mózgu widza dociera taki sam obraz, jak gdyby osobiście znajdował się na planie filmowym.
Zdolność człowieka do
widzenia stereoskopowego
powoduje, że pojawia się wrażenie głębi. Ekran stanowi jakby okno, przez które widoczna jest sfilmowana scena, przy czym pewne obiekty mogą "wychodzić" przed ekran, powodując szczególnie silne i niecodzienne odczucia.
Filtr polaryzacyjny jest używany w kinie IMAX, bo ma małą
masę
i nie utrudnia oglądania pokazu filmowego.
Defektoskopia
Jeżeli jakiś przezroczysty materiał jest
anizotropowy
, to często powoduje zmiany polaryzacji przechodzącego przez niego światła. Jest tak w przypadku
kryształów
, jednak źródłem anizotropii może być również występowanie
naprężeń
wewnątrz materiału. Zjawisko to można wykorzystać w
defektoskopii
(wczesnym wykrywaniu uszkodzeń maszyn). Inne zastosowanie to badanie
prototypów
.
Model
części urządzenia wykonany z przezroczystego materiału i może zostać poddany próbom
wytrzymałościowym
. Odpowiedni układ
optyczny
pozwala na obserwację charakterystycznych prążków wyznaczających linie naprężeń wewnątrz materiału. Technikę tę wykorzystuje się w
elastooptyce
.
Mikroskop polaryzacyjny
Zdjęcie tekstury ciekłego kryształu
Para dwóch filtrów polaryzacyjnych jest podstawą działania
tych mikroskopów
. Korzystając z własności światła spolaryzowanego wytwarzanego przez różne kryształy możliwe jest rozróżnianie ich rodzajów. Mineralodzy korzystają z mikroskopów polaryzacyjnych, w których poszczególne ziarna kryształów mienią się różnymi kolorami. Obserwacja wielobarwnych tekstur tworzonych w mikroskopie polaryzacyjnym przez
ciekłe kryształy
umożliwia szybkie ustalenie ich rodzaju. Niektóre roztwory
związków chemicznych
posiadających tzw.
aktywność optyczną
mają zdolność do zmiany płaszczyzny polaryzacji przechodzącego przez nie światła. Można to wykorzystać do oznaczenia
stężenia
związku w próbce, a także ustalenia ich tzw. czystości optycznej.
Radioastronomia i radary
Spolaryzowane liniowo wiązki
fal radiowych
wykorzystywane są w technice
radarowej
. W
radioastronomii
obserwacja polaryzacji światła pozwala określić, czy zostało ono rozproszone przed dotarciem do
teleskopu
.
Zoologia
Niektóre zwierzęta mają zdolność do postrzegania polaryzacji światła. Wykorzystują ją do określania kierunku w przestrzeni. Płaszczyzna liniowej polaryzacji światła rozproszonego przez
atmosferę
(niebo) jest prostopadła do kierunku, z którego świeci
Słońce
. Z tej własności światła korzystają niektóre
owady
, m.in.
pszczoły
.
Mózg
pszczoły rejestruje odległość oraz
azymut
względem Słońca na trasie jaką pokonuje ona wracając z
nektarem
do gniazda. W środku owad rozpoczyna specjalny taniec, którym przekazuje te informacje innym pszczołom, dzięki czemu mogą one łatwo odnaleźć bogate źródło pożywienia.
Polaryzacja jest postrzegana także przez
ośmiornice
,
kałamarnice
oraz
mątwy
. Zwierzęta te wykorzystują spolaryzowane światło do komunikacji. Ich ciała pokrywają wzory widoczne tylko przez filtry polaryzacyjne. Niektóre
głowonogi
mają też zdolność do dynamicznych zmian tych wzorów. W ten sposób mogą przekazywać sobie sygnały
godowe
lub odstraszać napastników.
Polaryzacja światła jest widoczna również dla oczu
ptaków
. Oprócz
nawigacji
ptaki używają uzyskane w ten sposób informacje do poszukiwania prądów wznoszących, pozwalających im na szybowanie bez wydatkowania
energii
.
Zobacz też
Bibliografia
- Principles of Optics, M. Born & E. Wolf, Cambridge University Press, 7th edition 1999,
- Fundamentals of polarized light : a statistical optics approach, C. Brosseau, Wiley, 1998,
- Polarized Light, Production and Use, William A. Shurcliff, Harvard University Press, 1962.
- Optics, Eugene Hecht, Addison Wesley, 4th edition 2002, hardcover,
- Polarised Light in Science and Nature, D. Pye, Institute of Physics Publishing, 2001,
- Polarized Light in Nature, G. P. Können, Translated by G. A. Beerling, Cambridge University Press, 1985, hardcover,
- Berklejowski kurs fizyki tom Fale, F. C. Crawford, PWN, Warszawa, tłumaczenie z Berkeley Physics Coursee – Volume 3 Waves
- Fizyka dla studentów nauk przyrodniczych Tom 2, D. Halliday i R. Resnick, PWN, Warszawa
Linki zewnętrzne (ang.)