7.8: Polarización
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Conceptos básicos
Figura\(\PageIndex{1}\): Luz transversal con onda de luz en dirección N-S
La luz del sol o una bombilla es esférica, es decir, transmite luz en todas las direcciones.
Si tuvieras que seguir una bandeja de luz en una dirección (la dirección de propagación), se vería como un círculo con luz que se transmite en un ángulo de 90° a esa dirección. A esto se le llama luz transversal. Esta luz transversal es la que se utiliza como ilustración para la luz polarizada.
Hay 3 causas de polarización, de las cuales las dos primeras son más relevantes para la gemología:
- Polarización por reflexión
- Polarización por doble refracción
- Polarización por dispersión
Filtros polarizantes
Un filtro de polarización deja pasar solo la luz que vibra en una dirección (dependiendo de su orientación).
Los filtros polarizadores se fabrican de manera que solo una onda específica de luz transversal pueda pasar a través del filtro. Esto tiene una amplia gama de usos, desde gafas de sol hasta conoscopia y muchas otras aplicaciones.
Figura\(\PageIndex{2}\): Filtros de polarización cruzada
En la imagen de arriba las direcciones de paso permitidas están indicadas por las líneas negras. El de la izquierda deja pasar solo las ondas de luz que vibran en dirección Este-Oeste, mientras que la de la derecha permite que solo pasen las ondas que vibran en dirección Norte-Sur.
Esto no debe confundirse con una “persiana veneciana” o una “valla de piquete” ya que esa analogía es muy pobre y es incorrecta (ver polarizadores de rejilla de alambre).
Cuando ambos filtros se colocan uno encima del otro (como lo indica la porción media de la imagen), ninguna luz es capaz de pasar a través. Esto se debe a que el primer filtro deja pasar solo la luz que vibra en la dirección E-W y cuando esa luz llega al segundo filtro, no se permite que pase a través (porque el segundo filtro permite que solo pase la luz que vibra en la dirección N-S.
Cuando se configuran dos polarizadores de esta manera, llamamos a esos “polos cruzados” o “polarizadores cruzados”, pero no "filtros cruzados" ya que esa es una técnica diferente.
A medida que gire el filtro a otras posiciones, pasarán otras orientaciones. La luz producida es lo que llamamos “luz polarizada plana”, solo vibra en un plano.
Avanzada
Polarizadores de rejilla de alambre
Figura\(\PageIndex{3}\): polarizador de rejilla de alambre
Los polarizadores de rejilla de alambre están hechos tradicionalmente de cables metálicos que están separados entre sí a cierta distancia. Esta distancia está determinada por la longitud de onda de la onda electromagnética que se quiere polarizar. Para la luz visible (con una longitud de onda entre 700 y 400nm) el espaciado suele ser inferior a 200nm (0.2 micrones).
Cuando se incrementa el espaciado, el filtro comienza a funcionar como una rejilla de difracción. Los polarizadores de plástico funcionan de manera similar, las moléculas dicroicas se estiran creando un tipo de polarizador de rejilla de alambre.
Es necesario entender que un rayo de luz (o cualquier otra onda electromagnética) se polariza perpendicular a la dirección de los cables. Cuando los cables están orientados Norte-Sur, el componente eléctrico de la luz se polarizará en la dirección vibracional Este-Oeste. Todas las demás direcciones vibracionales serán reflejadas o absorbidas por los cables metálicos.
Esto no es muy intuitivo ya que la mayoría de las veces se utiliza una analogía de “cerca de piquete” o “persiana veneciana” para describir el funcionamiento de un polarizador. En tal analogía se describe que se permite que la luz que vibra en la dirección de las ranuras abiertas pase a través. Es decir, casi, correcto para una persiana veneciana en una sala de estar, pero no cuando el espaciado es menor que la longitud de onda de la luz. De hecho, las persianas venecianas dejan pasar la luz no polarizada (al menos en la región visible).
Tabla\(\PageIndex{1}\): Polarizador de rejilla de alambre y su dirección de paso
|
Polarizador |
Alambres metálicos internos ampliados |
Dirección de paso indicada |
Polarización por reflexión
Figura\(\PageIndex{4}\): Polarización de la luz transversal por reflexión
Cuando la luz llega a un objeto, parte de la luz será absorbida por el objeto (o refractada dentro del objeto) mientras que otras partes de la luz serán reflejadas por el objeto. Esta luz reflejada es parcial o completamente polarizada, dependiendo del ángulo que la luz llegue al objeto. La dirección de polarización será en la misma dirección que la superficie del objeto.
La luz solar que incide sobre la superficie del agua o una carretera son ejemplos de luz reflejada. La mayor parte de la luz reflejada estará vibrando en dirección Este-Oeste (E-W), por lo que las gafas de sol polaroid se orientan en dirección Norte-Sur (N-S) para superar el deslumbramiento.
Un medidor de ángulo Brewster hace uso de este fenómeno.
Polarización por doble refracción
Cuando la luz no polarizada entra en una piedra preciosa anistópica en un ángulo distinto al eje óptico, esa luz se dividirá en dos rayos polarizados, vibrando en ángulo recto entre sí. Esto se debe a las propiedades de doble refracción de los materiales anistópicos. Al salir de la piedra preciosa, estas dos luces polarizadas volverán a combinarse como no polarizadas.
Sin embargo, en algunos minerales (como la turmalina), uno de estos rayos polarizados es completamente absorbido por el mineral. Esto significa que solo uno de los rayos polarizados saldrá del mineral, y ese rayo permanecerá polarizado. El fenómeno de absorber la luz que viaja en cierta dirección se denomina absorción selectiva. El efecto que causa se denomina pleocroísmo.
Los primeros filtros polaroides elaborados fueron creados a partir de pequeños granos del mineral herapatita, el cual exhibe las mismas propiedades que la turmalina.
Nicols cruzados
Otra forma de separar los rayos polarizados para crear luz polarizada fuera de una piedra preciosa es haciendo uso del ángulo crítico de una sustancia. En gemología, un dispositivo que hace esto se llama prisma de Nicol, y muchos libros de texto aún mencionan el uso de “nicoles cruzados”. Se corta un trozo de espato islantico (calcita) en dos en diagonal al eje c y luego se vuelve a cementar junto con bálsamo de Canadá, con n D = 1.537. La luz blanca ordinaria entra en el prisma de Nicol y se divide en dos rayos: un rayo lento (rayo ordinario) y un rayo rápido (rayo extraordinario). El rayo ordinario se someterá a Reflexión Interna Total cuando llegue al bálsamo. El rayo extraordinario pasará por el bálsamo y dejará el prisma, polarizado, en el otro extremo.
Fuentes
- Introducción a la Mineralogía Óptica 3ª edición (2003), Prof. W.D. Nesse
- Gemología 3ª edición (2005) - Peter Read