Potresti indossare un paio di occhiali da sole polarizzati, ma cosa significa? In che modo differiscono dagli altri tipi di occhiali da sole e perché sono utili? La polarizzazione, in termini di luce, si riferisce al processo di orientamento o filtro delle onde luminose in una sola direzione, che influenza ciò che si può vedere.
Luce come onde elettromagnetiche

Un'onda elettromagnetica è un'onda trasversale che consiste di un'onda di campo elettrico che oscilla in un piano perpendicolare (ad angolo retto) a un'onda di campo magnetico, entrambe perpendicolari alla direzione del movimento.

Poiché la radiazione elettromagnetica agisce come un'onda, allora qualsiasi particolare elettromagnetico un'onda o un'onda luminosa avrà una frequenza e una lunghezza d'onda associate ad essa. Il prodotto della lunghezza d'onda e della frequenza è la velocità dell'onda.

Tuttavia, le onde elettromagnetiche non richiedono un mezzo attraverso il quale propagarsi, e quindi possono attraversare il vuoto dello spazio vuoto (cosa che fanno alla velocità della luce - la velocità più veloce nell'universo).

Le onde elettromagnetiche sono disponibili in molte varietà, tra cui onde radio, microonde, radiazione infrarossa, luce visibile, radiazione ultravioletta, raggi X e raggi gamma.

Inoltre, poiché un'onda elettromagnetica è trasversale con ampiezza perpendicolare alla direzione del movimento, può essere polarizzata - ci sono molti possibili piani perpendicolari alla direzione del movimento, ma un'onda polarizzata avrà ampiezza trasversale in una sola di esse. Le onde longitudinali come le onde sonore hanno solo uno spostamento nella direzione del movimento e quindi non possono essere polarizzate.
Polarizzazione della luce

Le onde luminose non polarizzate hanno molteplici orientamenti sovrapposti. Le onde luminose hanno sia campi elettrici che magnetici, sempre perpendicolari l'uno all'altro - per convenzione, la polarizzazione è definita dalla direzione del campo elettrico. Guardando avanti, potremmo vedere i vettori del campo elettrico puntare in tutte le diverse direzioni.

Quando la luce viene fatta passare attraverso un polarizzatore o un filtro polarizzatore, il filtro lascia solo la porzione di luce con linee di campo elettrico orientate parallelamente al filtro da attraversare. Di conseguenza, la luce si polarizza - tutto orientato nella stessa direzione. Questa è polarizzazione lineare.

La luce proveniente da lampadine o il sole non è polarizzata. Le fonti più comuni di luce polarizzata sono i laser. Se due filtri polarizzanti vengono mantenuti ad angolo retto l'uno di fronte a una fonte di luce incidente, tutta la luce verrà bloccata. Se l'angolo è più piccolo (45 gradi, per esempio) viene bloccata solo una parte della luce.

I polarizzatori di luce sono di tre tipi: riflettenti, dicroici e birifrangenti. I polarizzatori riflettenti consentono solo una certa polarizzazione della luce di attraversare, mentre riflettono il resto; i polarizzatori dicroici fanno il contrario, bloccando solo una certa polarizzazione della luce e lasciando passare tutti gli altri. Nella birifrangenza, le diverse polarizzazioni della luce si rifrangono a diversi angoli, consentendo di selezionare diverse polarizzazioni della luce a seconda della polarizzazione desiderata.

La polarizzazione della luce è il modo in cui i film vengono proiettati in 3D. Gli occhiali 3D dati ai frequentatori di film hanno effettivamente filtri polarizzatori opposti in ogni obiettivo; un filtro orizzontale a sinistra e un filtro verticale a destra, ad esempio. Il film viene quindi proiettato sullo stesso schermo da due diversi proiettori, una luce proiettata polarizzata verticalmente e una luce proiettante polarizzata orizzontalmente. L'occhio sinistro vede quindi un'immagine leggermente diversa rispetto all'occhio destro e il cervello combina le immagini per creare una percezione della profondità.
L'angolo e la polarizzazione di Brewster per riflessione

Quando un raggio di luce è incidente su un superficie di un materiale, parte della luce viene riflessa e parte viene rifratta (viaggia attraverso il materiale). L'angolo di luce incidente necessario affinché la luce riflessa e la luce rifratta si trovi ad un angolo esatto a destra viene chiamato angolo di Brewster.

Quando l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di Brewster (dipendente dalle composizioni dei medium su entrambi i lati della superficie) e la luce incidente non è polarizzata, causerà una polarizzazione lineare della luce riflessa. Se la luce incidente ha una polarizzazione specifica, particolare per il materiale, verrà rifratta solo senza luce riflessa.

Perché questo accade? Quando la luce incidente viene temporaneamente assorbita dagli atomi nella superficie del materiale, gli elettroni negli atomi del materiale oscillano. Poiché le onde luminose sono trasversali, la polarizzazione deve essere perpendicolare alla direzione del moto dell'onda. Quindi, se la polarizzazione dell'onda incidente è nella direzione in cui dovrebbe essere l'onda riflessa, l'onda riflessa non può esistere.

Se la luce incidente non è polarizzata, la luce riflessa sarà polarizzata orizzontalmente, parallelamente a la superficie riflettente. Questa si chiama luce s-polarizzata. La luce con polarizzazione nel piano di incidenza, o il piano formato dalla direzione del moto della luce incidente e un vettore perpendicolare alla superficie, è chiamato p-polarizzato.

Gli occhiali da sole polarizzati usano il concetto dell'angolo di Brewster per ridurre il riflesso della luce solare sulle superfici orizzontali. Quando il sole è basso nel cielo, c'è molta luce S-polarizzata nel riflesso riflesso su superfici come acqua e strade. Gli occhiali da sole polarizzati bloccano la luce con questa polarizzazione, riducendo l'abbagliamento.
Polarizzazione mediante scattering

La dispersione della luce incidente al di fuori delle molecole d'aria provoca la polarizzazione lineare della luce perpendicolare al piano di incidenza. Le molecole d'aria trasportano la loro piccola oscillazione in una direzione, nota come momento dipolo, e irradiano energia perpendicolare alla linea di tale oscillazione. Quindi, se il momento dipolo di una molecola oscilla avanti e indietro sull'asse y
, la luce non polarizzata incidente si disperderà da essa nella direzione x
, polarizzata nella y
-direction (parallelo al dipolo).

Se la lunghezza d'onda della luce incidente è paragonabile alla dimensione delle molecole, questo si chiama scattering di Rayleigh. La dispersione di Rayleigh è responsabile del colore del cielo, che si tratti di un blu intenso di una bella giornata o del rosso intenso di un tramonto; i colori cambiano a seconda dell'angolo di incidenza della luce solare sull'atmosfera.
Polarizzazione per rifrazione

La polarizzazione può anche verificarsi per rifrazione o flessione della luce mentre passa da un mezzo all'altro. Molto spesso, la polarizzazione avviene perpendicolarmente alla superficie.

Quando l'indice di rifrazione di un materiale dipende dalla direzione dell'incidente e dalla polarizzazione della luce, viene chiamato birifrangente. Nei materiali birifrangenti, un raggio di luce incidente viene diviso per polarizzazione in due raggi all'interno del materiale, che prendono percorsi leggermente diversi.

Alcuni scienziati sospettano che un tipo di cristallo birifrangente chiamato "calcite" possa essere stato usato da i Vichinghi come ausilio alla navigazione, in quanto le sue proprietà di polarizzazione refrattiva potrebbero essere utilizzate per localizzare il sole in una giornata nuvolosa o anche sotto l'orizzonte.
Polarizzazione circolare

La polarizzazione circolare è uno stato di polarizzazione in cui il la direzione del campo elettrico ruota in modo circolare con il tempo a una velocità costante in un piano perpendicolare alla direzione di propagazione. Questo può essere immaginato come il vettore del campo elettrico che estrae un'elica attorno all'asse di propagazione mentre l'onda si propaga. (È anche possibile la polarizzazione ellittica, in cui l'elica è leggermente schiacciata in una dimensione.)

Se, guardando nella direzione della sorgente luminosa, il vettore del campo elettrico sembra ruotare in senso antiorario, la luce è chiamato polarizzato circolarmente a destra. Se il vettore sembra ruotare in senso orario, la luce viene chiamata polarizzata circolarmente a sinistra.

La polarizzazione circolare viene creata da due onde luminose polarizzate linearmente, polarizzate perpendicolarmente tra loro e ciascuna che si propaga sfasando di 90 gradi. La polarizzazione ellittica si verifica quando una di queste onde luminose ha un'ampiezza minore rispetto all'altra, creando un'ellisse anziché un cerchio.