Polarizácia
Svetlo, s ktorým sa denne stretávame, je väčšinou charakterizované tým, že jeho elektrické pole kmitá v čase náhodne a neusporiadane. Patrí sem napríklad svetlo zo slnka pred vstupom do atmosféry, svetlo zo žiarovky alebo z ohňa. Takéto svetlo vo fyzike označujeme ako nepolarizované. Nás budú zaujímať práve situácie, keď svetlo kmitá usporiadane a hovoríme o jeho polarizácii.
Čo vlastne kmitá? Elektromagnetické pole, ktoré svetlo šíri, a ktoré je svetlom. Našimi zmyslami vnímame prítomnosť svetla, ale samotné kmitanie smeru nie. Pre nás ten istý svetelný lúč v skutočnosti môže kmitať rôznym spôsobom. Hovoríme o rôznych polarizáciách. Ak si predstavíme, že svetelný lúč smeruje priamo na nás (v smere z) a zakreslujeme kmitanie v rovine xy, tak rozoznávame nasledovné polarizácie.
- horizontálne polarizované svetlo – kmitanie smeru prebieha v horizontálnom smere (štandardne označovanom ako smer osi x, resp. zľava doprava), t.j. smer je fixný, ale elektromagnetické pole sa v tomto smere zväčšuje a zmenšuje
- vertikálne polarizované svetlo – kmitanie smeru prebieha vo vertikálnom smere (štandardne označovanom ako smer osi y, resp. zdola nahor), t.j. smer je fixný a mení sa veľkosť
- kruhovo polarizované svetlo – pri kmitaní sa smer otáča doprava (pravotočivo polarizované), alebo doľava (ľavotočivo polarizované), ale svoju veľkosť nemení
- elipticky polarizované svetlo – pri kmitaní sa smer otáča doprava (pravotočivo polarizované), alebo doľava (ľavotočivo polarizované), ale mení sa aj jeho veľkosť
Ako sa svetlo stane polarizovaným?
Svetlo sa polarizuje v prírode v rôznych interakciách medzi svetlom a látkou, ako je napríklad odraz na vodnej hladine, prechodom cez niektoré kryštály alebo lomením svetla v atmosfére. Polarizácia môže byť tiež dosiahnutá prostredníctvom iných zariadení, napríklad optických filtrov, ktoré umožňujú priechod len svetelným vlnám s určitou orientáciou oscilácií.
Odraz – svetlo odrážajúce sa od hladkého priehľadného povrchu, ako napríklad vodná hladina, sa môže čiastočne alebo úplne lineárne polarizovať. Svetlo polarizované rovnobežne s hladinou (horizontálne) sa odrazí účinnejšie ako svetlo, ktoré je na hladinu polarizované kolmo (vertikálne). Zvyšok svetla, ktoré na hladinu v lúči dopadá a neodrazí sa, sa láme do druhého prostredia, v tomto prípade do vody, a tiež sa stane čiastočne polarizovaným. Pod špecifickým uhlom, nazývaným Brewsterový uhol, je všetko odrazené svetlo lineárne polarizované. Tento uhol sa mení v závislosti od toho, o aké dve prostredia sa jedná.
Dvojitý lom (birefringencia) – je ďalším spôsobom ako sa môže svetlo stať polarizované. Ide o jav, pri ktorom sa svetlo v niektorých kryštáloch, ako napríklad kalcit, rozdelí na dva lúče s rôznou polarizáciou. Tento jav vzniká preto, že vnútorné usporiadanie kryštálu spôsobuje, že každý smer kmitania svetla narazí na mierne odlišné podmienky. Výsledkom je, že sa svetlo rozdelí na dva lúče, ktorých polarizácie sú na seba kolmé.
Polarizačný filter prepúšťa len svetlo s určitou rovinou kmitania a ostatné zložky pohlcuje. Je vyrobený zo špeciálneho polyméru, ktorého dlhé molekuly sú usporiadané jedným smerom. Vlny kmitajúce rovnobežne s molekulami sa pohltia, kolmé prejdú. Výsledkom je lineárne polarizované svetlo. Otáčaním filtra môžeme meniť smer polarizácie, pričom os filtra určuje, aký smer prepúšťa.
Polarizáciu svetla v opísal a pomenoval v roku 1808 Etienne-Louis Malus. Zistil, že intenzita svetla prechádzajúceho filtrom závisí od uhla natočenia filtra. Intenzita svetla za filtrom klesá s kosínusom uhla medzi polarizáciou a osou filtra – Malusov zákon. V kvantovom svete to znamená, že jeden fotón má iba pravdepodobnosť filtrom prejsť – nejde o „polovičné prechody“, ale o náhodné výsledky podľa cos2θ.
Ako využívame polarizáciu?
Už Vikingovia využívali niektoré druhy minerálov, ktoré im podľa polarizácie svetla pomáhali určiť polohu Slnka aj pri zlom počasí. Samotné praktické využitie polarizácie sa však začalo až po jej objavení. Dnes sa s ňou stretávame napríklad v 3D kinách, kde sa premietajú dva obrazy s rôznou polarizáciou a špeciálne okuliare zabezpečia, že každé oko vidí len „svoj“ obraz. Mozog ich potom spojí do jedného trojrozmerného vnemu. Polarizované svetlo sa využíva aj pri slnečných okuliaroch, ktoré odstraňujú nepríjemné odlesky od vody či ciest a zlepšujú kontrast aj farby. Ďalšou oblasťou je fotoelasticimetria – metóda, pri ktorej polarizované svetlo odhaľuje vnútorné napätia v materiáloch, čo sa prejavuje farebnými obrazcami a umožňuje presne určiť miesta ich najväčšieho namáhania
Fun fact zo zvieracej ríše
Hoci ľudské oko polarizáciu svetla nedokáže vnímať, v ríši zvierat ide o bežný jav. Slnečné svetlo samo o sebe polarizované nie je, no po prechode atmosférou sa jeho lúče stávajú lineárne polarizovanými kolmo na smer, kde sa nachádza Slnko. Výsledkom je akási polarizačná mapa oblohy, ktorú mnohé zvieratá, ako včely, mravce, pavúky či vtáky, využívajú na orientáciu v priestore.
Veľmi zaujímavým tvorom, ktorý dokáže vnímať polarizáciu svetla, je kreveta Odontodactylus scyllarus. Táto drobná kreveta žije v teplých oceánskych vodách a je známa nielen neuveriteľne rýchlym pohybom klepiet, ktorým dokáže vytvoriť vákuovú bublinu s teplotou podobnou teplote na povrchu Slnka, ale aj výnimočným zrakom. Dokáže totiž rozlišovať nielen lineárnu, ale aj kruhovú polarizáciu svetla, čo je v živočíšnej ríši mimoriadne zriedkavé. Vedci sa domievajú, že táto kreveta využíva kruhovú polarizáciu najmä na diskrétnu komunikáciu s inými jedincami svojho druhu, napríklad pri párení, signalizácii územia či vyhýbaní sa konfliktom.
zdroj : Wikipedia
Autor článku: Mário Ziman, Fyzikálny ústav SAV, v.v.i. v Bratislave
Ilustrácie: Diana Cencer Garafová, QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie
Zdroje obrázkov: QUTE.sk, Wikipédia public domain