Polarizácia svetla

   Svetlo je bezpochyby jedným z hlavných objektov záujmu fyzikou po celom svete. Jeho popisom a pochopením jeho vlastností sa zaoberali takmer všetci známy fyzici. Isaac Newton ho považoval za prúd častíc, neskor však prevládol názor, že svetlo je vlnením. Pozorovania javov ako interferencia, alebo difrakcia svetla sú jednoznačným príznakom vlnovej podstaty svetla. Zdalo sa, če bodku za týmto sporom dal James Clark Maxwell, ktorý sformuloval teoriu spajajucu elektrinu a magnetizmus. Táto teória popisuje aj svetlo, ktoré v nej vystupuje iba ako specialny pripad elektromagnetickeho vlnenia.

   Elektromagneticke vlnenie je matematickym popisom svetla, ktory pouziva k svojmu popisu abstraktne vektory intenzit elektrickeho a magnetickeho pola E,B. Pri pohybe svetla tieto dva vektory kmitajú v navzajom kolmých smeroch, a naviac obidva sú kolmé na smer šírenia. Preto hovoríme, že elektromagnetické žiarenie je priečnym vlnením. Vdaka vzájomnej kolmosti nám stačí pri popise použit iba jeden vektor, napr. E. So smerom tohto vektora spájame pojem polarizácie. Polarizácia je teda vektorová fyzikálna veličina, ktorá udáva, v ktorom smere svetlo kmitá.

   Naše oko nie je citlivé na polarizáciu. Preto aby sme javy spojené s polarizáciou mohli pozorovať, potrebujeme vhodné pomocky. Polarizátor je špeciálny materiál, ktorý prepúšťa iba svetlo istej polarizácie. Prejavuje sa to tým, že ak sa pozeráme na svetelný zdroj cez polarizátor, tak do nášho oka dopadne menej svetla, ako keď polarizátor nepoužijeme. Čiže polarizátor "ztemňuje", t.j. filtruje svetlo. Preto ho niekedy nazývame aj polarizačným filtrom.

   Svetlo z bežného zdroja je v skutočnosti zmesou svetiel roznych polarizácií a nekmitá v čiadnom význačnom smere. Hovoríme, že takéto svetlo je nepolarizované. Avšak akonáhle položíme svetlu do cesty polarizátor, tak za ním už nájdeme svetlo dokonale spolarizované. Zdalo by sa, že polarizátor iba vyberie to svetlo, ktoré kmitá v tom správnom smere, a všetky ostatné pohltí. Ale nie je to také jednoduché. Ak by sme totižto postavili do cesty ďaľší (taký istý) polarizátor (iba inak natočený), tak stále by nejaké svetlo prechádzalo. Zistili by sme, že množstvo prejdeného svetla závisí na natočení druhého polarizátora, alebo trochu matematickejšie: od uhla pootočenia druhého polarizátora vzhľadom k prvému.

   Predpokladajme, že svetlo, ktoré dopadá na druhý polarizátor má intenzitu I₁ . Intenzita svetla prechádzajúceho bude daná vzťahom I₂ = I₁ cos²α , kde α je uhol medzi prvým a druhým polarizátorom. Vidieť, že intenzita je nulová iba pre uhly α=90 a 270 stupnov, t.j. ked sú polarizátory navzájom kolmé (skrížené). Naopak intenzita sa nemení (I₂=I₁), ak je druhý polarizátor nasmerovaný rovnako ako prvý alebo je otočený presne naopak, t.j. pre uhly α=0 a 180 stupnov. Ako doležitý výsledok dostávame, že dva skrížené polarizátory neprepúšťajú žiadne svetlo (vid obrázok). Presne polovica svetla prejde druhým polarizátorom, ak uhol α = 45 stupnov (I₂=I₁/2),




   Tento jav napríklad využívajú slnečné okuliare, ktoré vdaka polarizačným sklám dokážu odfiltrovať svetlo odrážajúce sa od vodnej hladiny. Svetlo odrážajúce sa od povrchu vody je totižto prevažne polarizované rovnobežne s vodnou hladinou (podobne aj od asfaltovej cesty, skla, alebo snehu). Stupen polarizácie závisí od uhla pod akým svetlo na povrch dopadá. Úplná polarizácia nastáva, ak sa svetlo od povrchu iba odráža, t.j. ked dopadá pod tzv. Brewsterovým uhlom, ktorý je daný vzťahom θ= arctan(n_material/n_vzduch). Pripomenme, že n_material označuje index lomu materiálu, ktorý je pomerom rýchlosti svetla vo vákuu (cca 300 000 km/s) ku rýchlosti šírenia sa svetla v danom materiáli. Pre sklo je n=1.5 a θ=56.3 stupna. Pre vodu n=1.33 a kritický uhol má hodnotu θ=53 stupnov. Prakticky to znamená, že najviac trblietania na hladine by sme mali vidieť, ak sa pozeráme pod 53 stupnovým uhlom.




   S polarizáciou sa možeme stretnúť pri návšteve 3D kina (pozri). Takisto pri fotografovaní vďaka polarizačným filtrom dosiahneme obrázky, ktoré voľným okom nikdy neuvidíme. Správnym nastavením filtra odstránime čiastočnú polarizáciu modrej oblohy (oslnujúci lesk) a dostaneme krásne modrú oblohu. Nemenej zaujímavé možnosti nám polarizácia ponúka pri kvantovom popise svetla, kde namiesto o vlnení hovoríme o časticiach - fotónoch, z ktorých sa svetlo skladá (pozri).