Polarización

Supongamos que una cuerda elástica ligera se tensa haciéndola pasar por una polea y colgando una pesa del extremo de la misma. La cuerda se pasa por una rendija estrecha vertical practicada en una lámina de un material que no ofrece rozamiento a la cuerda. Una persona sujeta el otro extremo realizando un movimiento circular uniforme en un plano vertical.

Cuando la cuerda atraviese la rendija sólo podrán pasar oscilaciones verticales periódicas. La onda transversal producida a la derecha de la rendija está contenida en un plano, es una onda con polarización lineal u onda polarizada linealmente. El plano en el que está oscilando la cuerda es el plano de vibración y el plano perpendicular al de vibración es el plano de polarización. La rendija actúa de filtro polarizador.

Si se interpusiese otro filtro polarizador a la derecha del primero y con la rendija horizontal, la onda quedaría cancelada a la derecha de este filtro.

En cada filtro se produciría una absorción de la energía de la onda.

Si la primera rendija tuviera forma circular o elíptica, la onda transmitida a la derecha de la rendija tendría polarización circular o elíptica.

Luz natural y luz parcialmente polarizada

Una fuente normal de luz consiste en un número extraordinariamente alto de emisores atómicos orientados al azar de ondas electromagnéticas. Cada emisor microscópico irradia un tren de ondas polarizado durante intervalos de tiempo del orden de 10^-8s. La superposición de estas ondas de la misma frecuencia pero de fases diferentes, genera una onda con una polarización determinada que se mantiene durante tiempos menores que 10^-8s. Conforme se emiten otros trenes de onda, el estado de polarización varía sin poder predecirlo. A una luz cuyos periodos de polarización son muy breves de manera que pueden ser percibidos se le llama luz natural o luz no polarizada.

Normalmente la luz es una mezcla de dos tipos: luz totalmente polarizada y luz polarizada.

Polarización de una onda electromagnética de la región microondas del espectro

Un haz no polarizado de microondas incide sobre un conjunto de finos hilos conductores paralelos verticales muy próximos unos a otros. La oscilación de electrones verticalmente debido a la acción del campo eléctrico del haz de microondas, genera un campo electromagnético que debilita la componente vertical del haz incidente. El haz transmitido tiene una muy pronunciada polarización lineal en la dirección perpendicular a los alambres.

Un filtro polarizador es una reproducción a escala molecular de la malla de alambre. Es una hoja de alcohol polivinílico con sus moléculas de cadena larga alineadas en una dirección particular por calentamiento y estiramiento. La hoja se tiñe después con yodo que a su vez se alinea a lo largo de las moléculas alineadas de alcohol polivinílico, encima y debajo de las moléculas, como si éstas fueran alambres microscópicos. El resultado es un polarizador lineal.

Polarización por dispersión o scattering

La dispersión o scattering es un proceso físico en el que partículas u ondas se desvían de su dirección por una o más direcciones debido a falta de uniformidades en el medio por el que pasan.

La polarización de ondas electromagnéticas por dispersión o scattering ocurre cuando un haz de luz no polarizada que se propaga en la dirección z, por ejemplo, incide sobre un centro de dispersión situado en el origen. Este centro de dispersión puede ser una carga, átomo, molécula o ión, partículas que contienen electrones que absorben la radiación y emiten una radiación polarizada como si fueran antenas. Después de la interacción con una carga, átomo o molécula, la luz dispersada en el plano z = 0 a lo largo de la dirección x está polarizada en la dirección y, mientras en la dispersada en la dirección y está polarizada en la dirección x. Este fenómeno puede ser visualizado como si las cargas, átomos o moléculas se comportan como pequeñas antenas que irradian perpendicularmente a la luz incidente.

Una aplicación de este fenómeno es la dispersión o scattering ocasionado por polvo de materia interestelar. Los granos de polvo tienen tamaños del orden de micrómetros correspondientes a longitudes de onda desde visible hasta infrarrojo. Así la dispersión de la luz debida a granos de polvo interestelar genera luz polarizada linealmente.

Polarización por reflexión en la superficie de separación de dos dieléctricos

Cuando una onda electromagnética incide oblicuamente sobre la superficie de separación de dos dieléctricos, la onda reflejada está parcialmente polarizada, vibrando el campo eléctrico en direcciones que forman un pequeño ángulo respecto de la dirección central, siendo débil la intensidad de la luz reflejada. La dirección central de vibración es perpendicular al plano de incidencia que contiene el rayo incidente, el reflejado y la normal.

En la siguiente imagen están representadas las dos componentes de vibración del campo eléctrico en el plano del frente de onda de la onda reflejada, siendo mayor la componente del campo eléctrico perpendicular al plano de incidencia.

La luz transmitida está también parcialmente polarizada, siendo la componente del campo eléctrico contenida en el plano de incidencia mayor que la componente perpendicular a la misma.

Se puede demostrar que la intensidad de la onda reflejada paralela al plano de incidencia se puede anular cuando i+r=90º

Si la suma de los ángulos de incidencia y refracción es de 90º, los rayos reflejado y refractado son perpendiculares.

180º-(i+r)=180º-90º=90º

Para el ángulo i específico de incidencia, llamado ángulo de Brewster, f_B, la luz reflejada está totalmente polarizada linealmente, mientras que la luz transmitida está polarizada linealmente parcialmente. La luz reflejada es también débil. Si el ángulo de incidencia es igual al ángulo de Brewster, el rayo reflejado es perpendicular al rayo refractado.

Se puede determinar el índice de refracción del segundo medio dieléctrico si el primer medio es el aire, en el que su índice de refracción es n₁=1.

Aplicando la ley de refracción se tiene:

Polarización por birrefringencia

Cuando un rayo de luz se refracta en un material anisótropo, en donde la velocidad de la luz cambia según la dirección de la misma, se forman dos rayos, estando linealmente polarizada la luz refractada en ambas direcciones y siendo perpendiculares entre sí los planos de polarización. Una de las dos direcciones sigue la ley de refracción y se llama rayo ordinario. La otra dirección tiene una velocidad y un índice de refracción variable y se llama rayo extraordinario. Si el material tiene un solo eje de anisotropía, las direcciones de los rayos refractados pueden calcularse mediante dos índices de refracción diferentes.

Aplicaciones de la polarización

• Las gafas polarizadas

Las gafas polarizadas tienen un filtro de polarización vertical. La luz reflejada en el suelo cuando incide en un ángulo próximo al de Browster del suelo tiene una polarización horizontal parcial. Un filtro con polarización vertical elimina la luz con polarización horizontal, eliminando gran parte de los reflejos en el suelo. La luz transmitida de la luz directa está parcialmente polarizada.

En la imagen se han trazado líneas verticales blancas en las gafas con filtro polarizador vertical para simbolizar la dirección de este filtro.

• ·Eliminación o disminución de la luz reflejada en fotografía mediante la interposición de un filtro polarizador.