Polarización de la luz

Por Rafael Chamón Cobos

Creado: Oct.2010

Revisado: Ago. 2011

Revisado: Sep. 2011

POLARIZACIÓN LINEAL

La polarización lineal de la luz puede producirse de las siguientes maneras:

1) Por reflexión en un dieléctrico. Por ejemplo, en la superficie del agua, o de un vidrio de ventana. Parte de la luz se refleja y parte se transmite. Si el ángulo de incidencia es uno particular, llamado de Brewster, toda la parte de luz reflejada está polarizada en una dirección y toda la parte transmitida está polarizada en la dirección ortogonal. Para otros ángulos de incidencia diferentes al de Brewster hay mezcla de polarizaciones, es decir se producen polarizaciones parciales.

2) Por doble refracción o birrefringencia. Muchos cristales son birrefringentes debido a su anisotropía. Esto quiere decir que presentan dos índices de refracción, y para cada rayo incidente se producen dos rayos refractados de direcciones y velocidades diferentes, llamados rayo ordinario y rayo extraordinario. La luz de ambos rayos está polarizada con planos de polarización perpendiculares entre sí. Es decir, la birrefringencia produce, a partir de un haz de luz incidente no polarizada, dos haces polarizados. Si somos capaces de desviar o anular uno de los haces refractados, tenemos un polarizador, por ejemplo, el prisma de Nicol es un polarizador de este tipo, que se diseña para que uno de los rayos refractados sufra una reflexión total en otra cara interna y desaparezca.

3) Por dicroísmo. Este fenómeno se basa también en la birrefringencia, pero con la particularidad de que el cristal dicroico presenta una gran absorción para uno de los dos rayos refractados, que queda bloqueado en el cristal mientras que sólo se transmite el otro, que está polarizado. Cortando adecuadamente un cristal dicroico para formar una lámina óptica resulta así un filtro polarizador lineal que deja pasar sólo luz polarizada según una sola dirección. Es el fundamento de los polarizadores de lámina de turmalina y del material "polaroid", usado en gafas, y también en los llamados cristales líquidos.

LÁMINAS ÓPTICAS

En un cristal birrefringente hay que distinguir una dirección particular, llamada eje óptico del cristal, a lo largo de la cual el cristal se comporta como no birrefringente, es decir sólo se transmite el rayo ordinario. Mayor interés tienen las direcciones del cristal que son perpendiculares al eje óptico, pues en cualquiera de estas direcciones los dos rayos refractados -ordinario y extraordinario- además de estar polarizados y de tener velocidades de propagación diferentes, se superponen. Este es el fundamento de las llamadas láminas ópticas, que se obtienen cortando el cristal de forma que las caras de la lámina sean planos paralelos al eje óptico. Al incidir normalmente sobre la lámina un haz de luz no polarizada, esta produce dos haces de luz refractada que:

  • son localmente coincidentes

  • están totalmente polarizados según dos direcciones perpendiculares entre sí, una paralela al eje óptico del cristal y otra perpendicular al mismo

  • tienen diferentes velocidades de propagación en el cristal.

(En el caso de las láminas dicroicas, referidas en el punto 3 del apartado anterior, sucede además que uno de los dos haces es fuertemente absorbido por el cristal, por lo que en la práctica queda bloqueado y sólo se transmite el otro haz).

La diferencia de velocidad de los rayos refractados -ordinario y extraordinario- en una lámina óptica hace que, para una determinada frecuencia de la luz, para un determinado espesor de la lámina y para unos valores determinados de los índices de refracción del cristal, se produzca un desfase determinado entre las ondas de ambos rayos refractados. Especial interés tienen las láminas que producen un desfase de 90º, llamadas láminas de cuarto de onda.

POLARIZACIÓN CIRCULAR

Para conseguir luz polarizada circularmente a partir de luz no polarizada se emplea un dispositivo consistente en un polarizador lineal seguido de una lámina de cuarto de onda, que normalmente están pegados. El plano de polarización del polarizador lineal debe formar un ángulo de 45º con el eje óptico de la lámina de cuarto de onda. En estas condiciones, la lámina de cuarto de onda produce dos componentes polarizadas de la misma amplitud, perpendiculares entre sí y con un desfase de 90º. Estas componentes se conservan al salir de la lámina y el resultado es que la luz que abandona la lámina está polarizada circularmente.

La polarización circular puede ser dextrógira o levógira, según que el ángulo que forman entre sí el plano de polarización del polarizador lineal y el eje óptico de la lámina sea de +45º ó de -45º.

USOS DE LA POLARIZACIÓN CIRCULAR

En fotografía

Un polarizador circular puede usarse en fotografía con cualquier cámara, con los mismos efectos que produce un polarizador lineal, al mismo tiempo que presenta ciertas ventajas en relación con algunos tipos de cámaras en las que un polarizador lineal daría errores. Esto es debido a que estas cámaras poseen algún elemento interno que polariza adicionalmente la luz que llega al exposímetro y al visor, por ejemplo, un espejo semitransparente destinado a separar la luz que va a estos elementos de la cámara. Si usamos un polarizador lineal al tomar la foto, esta polarización adicional no deseada interfiere con el efecto artístico que se intenta obtener en la foto y que se observa en el visor, y además puede reducir la exposición real, falseándola.

Sin embargo, si usamos un polarizador circular, es decir, una combinación de un polarizador lineal más una lámina de cuarto de onda, el primero produce el efecto artístico deseado, mientras que por el efecto de la segunda ya no se produce interferencia con el exposímetro ni con el visor, dado que la luz resultante no posee ya ningún plano de polarización fijo.

En el cine 3D

El sistema de cine en 3 dimensiones llamado “RealD” emplea un sólo proyector que proyecta alternadamente las imágenes correspondientes al ojo izquierdo y al ojo derecho. Un dispositivo de cristal líquido sincronizado con los fotogramas polariza circularmente las imágenes proyectadas, de forma que las imágenes destinadas a un ojo tienen polarización levógira, mientras que las imágenes destinadas al otro ojo tienen polarización dextrógira. Esto permitirá más tarde independizar las imágenes para cada ojo. La pantalla de proyección de la sala está hecha de un material especial que conserva las polarizaciones en la luz que se refleja hacia los espectadores. Estos llevan gafas que son también polarizadores circulares, uno levógiro y otro dextrógiro, pero con la particularidad de que la luz entra en las gafas por la lámina de cuarto de onda y sale hacia el ojo por el polarizador lineal.

Para fijar ideas hagamos los siguientes supuestos sin pérdida de generalidad:

  1. En la pantalla, la polarización lineal de la luz para ambas imágenes proyectadas está orientada horizontalmente .

  2. En la pantalla, la polarización circular de la luz destinada al ojo izquierdo está polarizada en sentido levógiro, y la destinada al ojo derecho, en sentido dextrógiro.

    1. En las gafas, la lámina de cuarto de onda del ojo izquierdo produce polarización dextrógira, y la del ojo derecho produce polarización levógira.

  3. En las gafas, el polarizador lineal está orientado horizontalmente para ambos ojos (lo mismo que en el proyector).

En estas condiciones, la luz levógira procedente de la imagen izquierda que llega a la parte izquierda de las gafas sufre una polarización dextrógira en la lámina de cuarto de onda (es decir, de sentido contrario al de la luz incidente). Esto significa que las dos componentes polarizadas de la luz quedan en fase al abandonar la lámina de cuarto de onda, y el resultado es que desaparece la polarización circular y se restituye la polarización lineal horizontal originada en el proyector. Como el polarizador lineal de las gafas es también horizontal, la luz pasa al ojo izquierdo.

Sin embargo, la misma luz levógira procedente de la imagen izquierda, al pasar por la lámina de cuarto de onda de la parte derecha de las gafas recibe una polarización circular levógira adicional. Esto significa que la componente más lenta recibe un desfase adicional de 90º, y queda retrasada en 180º respecto a la componente más rápida, con lo cual la polarización deja de ser circular y pasa a ser lineal y en cuadratura con la polarización lineal horizontal de la imagen, es decir, pasa a ser vertical, con lo cual queda bloqueada por el polarizador lineal horizontal de las gafas y no se transmite hacia el ojo derecho.

Similar razonamiento vale igualmente para la luz dextrógira procedente de la imagen derecha que llega a las gafas, obteniéndose paso de la luz para el ojo derecho, y bloqueo para el ojo izquierdo.

Por tanto, este sistema permite separar las imágenes destinadas a ambos ojos, con la ventaja de que esta separación no depende de la posición de la cabeza del espectador.

FUENTES: