Per vedere come funzionano gli occhiali da sole polarizzati, è conveniente pensare alla luce come un’onda che si muove lungo una corda. Proprio come un’onda su un filo, un’onda luminosa si muove trasversalmente alla sua direzione di movimento. E proprio come un’onda su una corda, il piano in cui la corda oscilla può avere diversi orientamenti. Per esempio, l’oscillazione può vibrare su e giù, da un lato all’altro o in qualsiasi combinazione delle due direzioni. Se la corda viene fatta oscillare, ad esempio, con un angolo di 45 gradi, questo può essere decomposto matematicamente in una combinazione di componenti di oscillazione orizzontale e verticale in quantità uguali. Una corda che oscilla, diciamo, a 75 gradi ha più componente verticale che orizzontale. L’angolo di oscillazione trasversale è chiamato “angolo di polarizzazione” (vedi Figura 1). A proposito, quando diciamo che una certa fonte di luce è “non polarizzata” vogliamo dire che emette onde con angoli casuali, così che in media non c’è una direzione preferita di polarizzazione. La luce solare diretta, le lampadine e le candele sono esempi di fonti di luce non polarizzata. Quasi nessuna fonte naturale di luce è polarizzata alla fonte; la polarizzazione avviene dopo una sorta di interazione con la materia. Quindi, per quasi tutte le fonti di luce, è come se agitassimo la corda in una direzione trasversale per generare un’onda lungo la corda e poi imprevedibilmente cambiassimo in un’altra direzione trasversale, e così via (vedi Figura 2). Le onde escono oscillando in angoli di polarizzazione hodge-podge, ma tutte viaggiano lungo la direzione della stringa.
Figura 1: “Angolo di polarizzazione” è l’angolo della direzione trasversale di oscillazione di un’onda. Qui, l’orizzontale (0 gradi) e la verticale (90 gradi) sono mostrati. L’angolo in mezzo può essere pensato come una miscela delle due direzioni con diversi rapporti di miscela. Il rettangolo grigio con una fessura verticale rappresenta un filtro polarizzato progettato per trasmettere le oscillazioni verticali della stringa e bloccare quelle orizzontali. Fonte immagine: cnx.org
Figura 2: Un’onda non polarizzata. La direzione della polarizzazione cambia casualmente lungo l’onda. La luce del sole e la maggior parte delle altre fonti di luce non sono polarizzate ma diventano parzialmente polarizzate alla riflessione. Fonte dell’immagine: astronomy.nmsu.edu
La luce del sole può diventare parzialmente polarizzata dalla dispersione delle molecole d’aria o dalla riflessione di qualcosa come un lago. Questo significa che dopo lo scattering o la riflessione gli angoli di oscillazione delle onde solari non sono più casuali in tutte le direzioni, ma hanno una direzione preferita in media. Nel caso di una superficie orizzontale, come un lago o una strada, la direzione preferita è quella orizzontale. Questa vibrazione orizzontale della luce solare riflessa è il fastidio che vediamo come bagliore, e questo è il motivo per cui le lenti polarizzate sono così utili a chi va in spiaggia e agli automobilisti: bloccano il bagliore. I filtri polarizzati su queste lenti bloccano preferibilmente la componente orizzontale dell’oscillazione della luce mentre trasmettono la componente verticale. Il risultato è un’immagine più scura ma con un miglior contrasto (vedi figura 3).
Figura 3: Visualizzazione della stessa scena con e senza filtro polarizzatore. La luce solare riflessa nell’immagine di sinistra è parzialmente polarizzata. L’immagine di destra è stata scattata con un filtro che blocca la luce polarizzata orizzontalmente. Fonte dell’immagine: photography.ca/blog
Le equazioni di Fresnel mostrano quantitativamente come la luce non polarizzata diventa parzialmente polarizzata dopo la riflessione da una superficie dielettrica, come l’acqua o il vetro. Le equazioni sono menzionate qui solo perché il lettore possa vedere che la componente polarizzata orizzontalmente di un’onda differisce nel suo coefficiente di riflessione dalla componente polarizzata verticalmente. Coefficienti di riflessione disuguali portano alla luce non polarizzata che diventa parzialmente polarizzata. È interessante notare che le equazioni di Fresnel prevedono l’esistenza di un angolo per il quale il bagliore è completamente polarizzato, non solo parzialmente polarizzato. In altre parole, l’abbagliamento proveniente da questo angolo (noto come l’angolo di Brewster) può essere completamente bloccato da un filtro polarizzatore ideale. L’effetto è drammatico. (vedi figura 4).
Figura 4: Abbagliamento riflesso all’angolo di Brewster da una finestra. La luce che produce l’abbagliamento è altamente polarizzata permettendo al filtro polarizzatore (sulla finestra di destra) di rimuoverla praticamente tutta. Per l’acqua dolce, l’angolo di Brewster è di circa 53 gradi, quindi il picco delle prestazioni degli occhiali da sole polarizzati su un lago calmo avviene quando il sole è ad un angolo di circa 37 gradi dall’orizzonte (90-53= 37). Fonte immagine: boundless.com/physics
Per capire come gli occhiali da sole polarizzati bloccano la polarizzazione orizzontale, è importante sapere come si comportano gli elettroni nelle molecole del filtro degli occhiali da sole. Gli elettroni sono messi in oscillazione dall’onda luminosa in arrivo e quindi parte dell’energia d’onda della luce viene trasferita agli elettroni per essere dissipata o riflessa dagli elettroni. I filtri polarizzanti usati negli occhiali da sole contengono molecole che facilitano l’oscillazione degli elettroni in direzione orizzontale (direzione lunga), dissipando così più energia luminosa polarizzata orizzontalmente. D’altra parte, le molecole lunghe rendono difficile agli elettroni di oscillare in direzione verticale (direzione corta), diminuendo così la dissipazione da parte degli elettroni delle onde luminose polarizzate verticalmente. (vedi figura 5).
Figura 5: Le molecole in un filtro polarizzatore sono lunghe in una direzione e corte nella direzione perpendicolare. Gli elettroni possono oscillare liberamente lungo la lunghezza della molecola, assorbendo o riflettendo l’energia luminosa, mentre non sono in grado di oscillare molto lontano lungo la direzione corta. Le frecce “campo E” nella figura mostrano la direzione della polarizzazione. Le piccole sfere etichettate “e-” rappresentano gli elettroni. Nota nella figura come l’onda polarizzata orizzontalmente (in alto) emerge dall’interazione con l’elettrone con la sua ampiezza ridotta, mentre l’onda oscillante verticalmente (in basso) passa con ampiezza non ridotta. Fonte immagine: voer.edu.vn
In pratica è difficile ottenere le molecole lunghe tutte allineate in una direzione, ma le molecole un po’ allineate sono ancora efficaci per fare un polarizzatore. Un modo per ottenere questo risultato è quello di mettere le molecole a catena lunga su un pezzo di materiale trasparente estensibile, poi riscaldare e tirare il materiale estensibile. Le lunghe catene di molecole, originariamente in orientamenti casuali, si allineeranno più o meno nella direzione della trazione.
La figura 6 qui sotto illustra un riassunto semplificato di tutto ciò che abbiamo appena discusso sulla polarizzazione: occhiali da sole che riducono l’abbagliamento!
Figura 6: Gli occhiali da sole polarizzati bloccano la luce polarizzata orizzontalmente (rosso) ma trasmettono quella polarizzata verticalmente (blu). Fonte immagine: microscopyu.com
Ari Siletz è presidente di CCDMETRIX. La sua azienda è specializzata nell’ispezione e nella metrologia automatizzata dei sistemi di visione. Con un background in ingegneria ottica e software, Ari ha sviluppato strumenti per l’industria oftalmica e del rivestimento ottico fin dagli anni ’80. La scrittura è uno dei principali hobby di Ari. È un autore pubblicato i cui racconti sono apparsi in numerose antologie letterarie. Vive a Sebastopol, California.