B25: Polarización

La dirección de polarización de la luz se refiere a las dos direcciones o a una de las dos direcciones en las que oscila el campo eléctrico. Para el caso de la luz completamente polarizada siempre hay dos direcciones que podrían llamarse la dirección de polarización. Si se especifica una sola dirección, entonces esa dirección, y la dirección exacta opuesta, son ambas direcciones de polarización. Aún así, al especificar una dirección se especifica completamente la dirección de polarización. Por ejemplo, para la luz que viaja directamente hacia abajo cerca de la superficie de la tierra, si se dice que la dirección de polarización es un rumbo de brújula de\(15^{\circ}\), eso significa inequívocamente que el campo eléctrico oscila de manera que a veces está apuntando en la dirección con una brújula rumbo de\(15^{\circ}\) , y a veces apuntando en dirección con brújula rumbo a\(195^{\circ}\) (\(15^{\circ}\)oeste del sur).

La luz polarizada aleatoriamente, también conocida como luz no polarizada, tiene oscilaciones de campo eléctrico en todas y cada una de las direcciones perpendiculares a la dirección en la que viaja la luz. Tal luz a menudo se representa, como se ve desde atrás, (donde hacia adelante es la dirección en la que viaja la luz) como:

La luz polarizada verticalmente que viaja horizontalmente lejos de usted se representa típicamente como:

donde la dirección en la que viaja la luz es “hacia la página” y hacia arriba es “hacia la parte superior de la página”. En una posición particular a través de la cual la luz está viajando, comenzando en un instante en que el vector de campo eléctrico en esa posición es ascendente y máximo, el campo eléctrico disminuirá a cero, luego estará hacia abajo y aumentando, alcanzará un máximo hacia abajo, luego será descendente y decreciente, se convertirá en cero, luego será hacia arriba y aumentando, luego alcanzar un máximo ascendente, y repetir, continuamente. El diagrama que representa la polarización indica las direcciones que señala el campo eléctrico, en algún momento durante sus oscilaciones. De ninguna manera pretende implicar que el campo eléctrico esté apuntando en dos direcciones al mismo tiempo.

La luz que se aleja horizontalmente de ti que se polariza\(30^{\circ}\) con respecto a la vertical podría ser:

o

Si encuentras una especificación tan ambigua de polarización en una declaración de problema entonces la respuesta es la misma para cualquiera de los casos, así que, no importa cuál de las dos posibles direcciones de polarización eliges. Escoge uno arbitrariamente y trabaja con él.

La luz que se aleja horizontalmente de ti y se polariza, desde tu punto de vista, en el sentido de\(30^{\circ}\) las agujas del reloj desde la vertical es, sin embargo, inequívocamente:

Polarizadores

Un material plástico se fabrica en forma de láminas planas que polarizan la luz que viaja a través de ellas. Una muestra de dicha lámina plana se llama polarizador. En uso, normalmente se hace que la luz viaje hacia un polarizador a lo largo de una dirección que es perpendicular al polarizador. En otras palabras, uno hace que la luz incida normalmente sobre el polarizador.

Esquemáticamente, se representa típicamente un polarizador por medio de un rectángulo o un círculo lleno de segmentos de línea paralelos.

La orientación de las líneas se conoce como la dirección de polarización del polarizador. El efecto de un polarizador es transmitir luz que se polariza en la misma dirección que la del polarizador, y bloquear (absorber o reflejar) la luz que se polariza en ángulo recto con la dirección del polarizador.

La dirección de polarización del polarizador rectangular representado arriba es vertical. Entonces, deja pasar la luz polarizada verticalmente y bloquea la luz polarizada horizontalmente.

La dirección de polarización de la muestra en forma de círculo de material polarizador representada anteriormente es horizontal. Entonces, deja pasar la luz polarizada horizontalmente y bloquea la luz polarizada verticalmente.

Cuando la luz no polarizada (también conocida como luz polarizada aleatoriamente) normalmente incide en cualquier polarizador, la mitad de la luz pasa. Entonces, si la intensidad de la luz entrante es\(I_0\), entonces la intensidad de la luz que pasa, llámelo\(I_1\), viene dada por:

\[I_1=\frac{1}{2} I_0 \label{25-1}\]

En la luz completamente no polarizada, los vectores de campo eléctrico oscilan en cada dirección que es perpendicular a la dirección en la que viaja la luz. Pero todos los vectores de campo eléctrico son, como su nombre lo indica, vectores. Como tal, podemos romper cada uno de ellos en una componente a lo largo de la dirección de polarización del polarizador y una componente que es perpendicular a la dirección de polarización del polarizador. Un polarizador permitirá que cada componente que esté a lo largo de la dirección de polarización del polarizador, y bloqueará cada componente que sea perpendicular a la dirección de polarización. En luz completamente no polarizada, no importa cuál sea la dirección de polarización del polarizador, si divide todos los vectores de campo eléctrico en componentes paralelos y perpendiculares a la dirección de polarización del polarizador, y agrega todos los componentes paralelos juntos, y luego agrega por separado todos los componentes perpendiculares juntos, los dos resultados tendrán la misma magnitud. Esto significa que podemos ver la luz completamente no polarizada como compuesta por dos mitades: semipolarizada paralela a la dirección de polarización del polarizador, y mitad polarizada perpendicular a la dirección de polarización del polarizador. La mitad que está polarizada paralela a la dirección de polarización del polarizador pasa a través del polarizador, y la otra mitad no.

Luz no polarizada que viaja directamente lejos de usted

Cuando está completamente sin polarizar la luz de intensidad\(I_0...\)

... es normalmente incidente sobre un polarizador cuya dirección de polarización hace un ángulo\(\theta_p\) con la vertical...

... la luz que pasa está polarizada en la dirección de polarización del polarizador, y, tiene una intensidad\(I_1=\frac{1}{2} I_0\).

Observe cómo el efecto de un polarizador sobre la intensidad de la luz no polarizada normalmente incidente no depende de la orientación del polarizador. Obtienes la misma intensidad\(I_1 =\frac{1}{2} I_0\) de luz que pasa a través del polarizador, sin importar cuál sea la dirección de polarización del polarizador.

Ahora supongamos que tenemos alguna luz que, por la razón que sea, ya está polarizada. Cuando la luz polarizada normalmente incide sobre un polarizador, la intensidad de la luz que pasa depende de la dirección de polarización del polarizador (relativa a la de la luz entrante). Supongamos, por ejemplo, que la luz entrante,

está polarizado en un ángulo\(\theta\) con respecto a la dirección de polarización de un polarizador sobre el cual la luz incide normalmente:

Antes de que golpee el polarizador, el vector de amplitud de oscilaciones de campo eléctrico de la luz,

puede dividirse en una componente paralela a la dirección de polarización del polarizador y una componente perpendicular a la dirección de polarización del polarizador.

El componente paralelo\(E_{\parallel}\) = E cos\ theta\) pasa a través del polarizador, el componente perpendicular no.

Ahora la intensidad de la luz polarizada es proporcional al cuadrado de la amplitud de las oscilaciones del campo eléctrico. Entonces, podemos expresar la intensidad de la luz entrante como

\[I_o= (constant)E^2\]

y la intensidad de la luz que atraviesa como:

\[I_1=(constant)E_{\parallel}^2\]

\[I_1=(constant)(E\cos \theta)^2\]

\[I_1=(constant)E^2(\cos \theta)^2\]

\[I_1=I_o (\cos \theta)^2 \label{25-2}\]

Resumiendo:

Luz polarizada que viaja directamente lejos de usted

Cuando se polariza la luz de intensidad\(I_0...\)

... normalmente incide sobre un polarizador cuya dirección de polarización hace un ángulo\(\theta\) con la dirección de polarización de la luz...

... la luz que pasa está polarizada en la dirección de polarización del polarizador, y, tiene una intensidad\(I_1=I_0(\cos \theta)^2\).