Para ver cómo funcionan las gafas de sol polarizadas, es conveniente pensar en la luz como una onda que se mueve a lo largo de una cuerda. Al igual que una onda en una cuerda, una onda de luz se menea transversalmente a su dirección de movimiento. Y al igual que una onda en una cuerda, el plano en el que oscila la cuerda puede tener diferentes orientaciones. Por ejemplo, la oscilación puede vibrar hacia arriba y hacia abajo, de lado a lado o en cualquier combinación de las dos direcciones. Si la cuerda oscila, por ejemplo, en un ángulo de 45 grados, puede descomponerse matemáticamente en una combinación de componentes de oscilación horizontales y verticales en cantidades iguales. Una cuerda que oscila, por ejemplo, a 75 grados tiene más componente vertical que horizontal. El ángulo de oscilación transversal se denomina «ángulo de polarización» (véase la figura 1). Por cierto, cuando decimos que una determinada fuente de luz es «no polarizada» nos referimos a que emite ondas en ángulos aleatorios, de modo que, en promedio, no hay una dirección preferida de polarización. La luz solar directa, las bombillas y las velas son ejemplos de fuentes de luz no polarizadas. Casi ninguna fuente natural de luz está polarizada en la fuente; la polarización se produce después de algún tipo de interacción con la materia. Por lo tanto, para casi todas las fuentes de luz, es como si meneáramos la cuerda en una dirección transversal para generar una onda a lo largo de la cuerda y luego cambiáramos imprevisiblemente a otra dirección transversal, y así sucesivamente (ver Figura 2). Las ondas salen oscilando en ángulos de polarización hodge-podge, pero todas viajan a lo largo de la dirección de la cuerda.
Figura 1: El «ángulo de polarización» es el ángulo de la dirección transversal de oscilación de una onda. Aquí se muestran la horizontal (0 grados) y la vertical (90 grados). Los ángulos intermedios pueden considerarse como una mezcla de las dos direcciones con diferentes proporciones de mezcla. El rectángulo gris con una ranura vertical representa un filtro polarizado diseñado para transmitir las oscilaciones verticales de la cuerda y bloquear las horizontales. Fuente de la imagen: cnx.org
Figura 2: Una onda no polarizada. La dirección de la polarización cambia aleatoriamente a lo largo de la onda. La luz del sol y la mayoría de las otras fuentes de luz no están polarizadas, pero se vuelven parcialmente polarizadas en la reflexión. Fuente de la imagen: astronomy.nmsu.edu
La luz solar puede polarizarse parcialmente por la dispersión de las moléculas de aire o al reflejarse en algo como un lago. Esto significa que tras la dispersión o el reflejo de los ángulos de oscilación de las ondas solares, éstas ya no son aleatorias en todas las direcciones sino que tienen una dirección preferida en promedio. En el caso de una superficie horizontal, como un lago o una carretera, la dirección preferida es la horizontal. Esta luz solar reflejada que vibra horizontalmente es la molestia que vemos como resplandor, y por eso las lentes polarizadas son tan útiles para los playeros y automovilistas: bloquean el resplandor. Los filtros polarizados de estas lentes bloquean preferentemente el componente horizontal de la oscilación de la luz mientras transmiten el componente vertical. El resultado es una imagen más oscura pero con mejor contraste (véase la figura 3).
Figura 3: Visualización de la misma escena con y sin filtro polarizador. La luz solar reflejada en la imagen de la izquierda está parcialmente polarizada. La imagen de la derecha está tomada con un filtro que bloquea la luz polarizada horizontalmente. Fuente de la imagen: photography.ca/blog
Las ecuaciones de Fresnel muestran cuantitativamente cómo la luz no polarizada se convierte en parcialmente polarizada después de la reflexión de una superficie dieléctrica -como el agua o el vidrio-. Las ecuaciones se mencionan aquí sólo para que el lector pueda ver que la componente horizontalmente polarizada de una onda difiere en su coeficiente de reflexión de la componente verticalmente polarizada. Los coeficientes de reflexión desiguales hacen que la luz no polarizada se polarice parcialmente. Curiosamente, las ecuaciones de Fresnel predicen la existencia de un ángulo para el que el resplandor está completamente polarizado, no sólo parcialmente. En otras palabras, el resplandor procedente de este ángulo (conocido como ángulo Brewster) puede bloquearse completamente con un filtro polarizador ideal. El efecto es espectacular. (véase la figura 4).
Figura 4: Deslumbramiento reflejado en el ángulo Brewster desde una ventana. La luz que produce el resplandor está muy polarizada, lo que permite que el filtro polarizador (en la ventana de la derecha) la elimine prácticamente en su totalidad. Para el agua dulce, el ángulo de Brewster es de unos 53 grados, por lo que el máximo rendimiento de las gafas de sol polarizadas en un lago tranquilo se produce cuando el sol está en un ángulo de unos 37 grados desde el horizonte (90-53= 37). Fuente de la imagen: boundless.com/physics
Para entender cómo las gafas de sol polarizadas bloquean la polarización horizontal, es importante saber cómo se comportan los electrones de las moléculas del filtro de las gafas de sol. Los electrones son puestos a oscilar por la onda de luz entrante y, por lo tanto, parte de la energía de onda de la luz se transfiere a los electrones para ser disipada o reflejada por los electrones. Los filtros polarizadores que se utilizan en las gafas de sol contienen moléculas que facilitan la oscilación de los electrones en la dirección horizontal (dirección larga), disipando así más energía luminosa polarizada horizontalmente. Por otro lado, las moléculas largas dificultan la oscilación de los electrones en la dirección vertical (dirección corta), disminuyendo así la disipación de los electrones de las ondas luminosas polarizadas verticalmente. (véase la figura 5).
Figura 5: Las moléculas en un filtro polarizador son largas en una dirección y cortas en la dirección perpendicular. Los electrones pueden oscilar libremente a lo largo de la longitud de la molécula, absorbiendo o reflejando la energía luminosa, mientras que no pueden oscilar muy lejos a lo largo de la dirección corta. Las flechas del «campo E» de la figura muestran la dirección de la polarización. Las pequeñas esferas etiquetadas como «e-» representan los electrones. Obsérvese en la figura cómo la onda polarizada horizontalmente (arriba) emerge) de la interacción con los electrones con su amplitud reducida, mientras que la onda que oscila verticalmente (abajo) sale con una amplitud no disminuida. Fuente de la imagen: voer.edu.vn
En la práctica es difícil conseguir que las moléculas largas estén todas alineadas en una dirección, pero las moléculas algo alineadas siguen siendo eficaces para hacer un polarizador. Una forma de conseguirlo es poner moléculas de cadena larga en un trozo de material estirable transparente y luego calentar y tirar del material estirable. Las cadenas de moléculas largas, originalmente en orientaciones aleatorias, se alinearán más o menos en la dirección del tirón.
La figura 6, a continuación, ilustra un resumen simplificado de todo lo que acabamos de discutir sobre la polarización: ¡gafas de sol que reducen el deslumbramiento!
Figura 6: Las gafas de sol polarizadas bloquean la luz polarizada horizontalmente (rojo) pero transmiten la luz polarizada verticalmente (azul). Fuente de la imagen: microscopyu.com
Ari Siletz es presidente de CCDMETRIX. Su empresa está especializada en la inspección y metrología de sistemas de visión automatizados. Con una formación en ingeniería óptica y de software, Ari ha desarrollado instrumentos para las industrias oftálmica y de revestimiento óptico desde la década de 1980. Escribir es una de las grandes aficiones de Ari. Es un autor publicado cuyos relatos cortos han aparecido en numerosas antologías literarias. Vive en Sebastopol, California.