Om te zien hoe gepolariseerde zonnebrillen werken, is het handig om licht te zien als een golf die langs een touwtje beweegt. Net als een golf op een snaar, wiebelt een lichtgolf dwars op zijn bewegingsrichting. En net als een golf op een snaar, kan het vlak waarin de snaar trilt verschillende oriëntaties hebben. De trilling kan bijvoorbeeld op en neer gaan, van links naar rechts of in een combinatie van deze twee richtingen. Als de snaar wordt gemaakt om te trillen onder, zeg, een hoek van 45 graden, kan dit wiskundig worden ontleed in een combinatie van horizontale en verticale trillingcomponenten in gelijke hoeveelheden. Een snaar die op, zeg, 75 graden trilt heeft meer verticale component dan horizontale component. De hoek van transversale oscillatie wordt de “polarisatiehoek” genoemd (zie figuur 1). Overigens, als we zeggen dat een bepaalde lichtbron “ongepolariseerd” is, bedoelen we dat hij golven uitzendt onder willekeurige hoeken, zodat er gemiddeld geen voorkeursrichting van polarisatie is. Direct zonlicht, gloeilampen en kaarsen zijn voorbeelden van ongepolariseerde lichtbronnen. Bijna geen enkele natuurlijke lichtbron is gepolariseerd bij de bron; polarisatie gebeurt na een of andere interactie met materie. Daarom is het voor bijna alle lichtbronnen alsof we de snaar in één transversale richting wiebelen om een golving langs de snaar op te wekken, dan onvoorspelbaar veranderen in een andere transversale richting, enzovoort (zie figuur 2). De golven komen er zwaaiend uit in een mengelmoes van polarisatiehoeken, maar reizen allemaal in de richting van de snaar.
Figuur 1: “Polarisatiehoek” is de hoek van de transversale richting van de trilling van een golf. Hier zijn horizontaal (0 graden) en verticaal (90 graden) weergegeven. De hoek daartussen kan worden beschouwd als een mengsel van de twee richtingen met verschillende mengverhoudingen. De grijze rechthoek met een verticale gleuf vertegenwoordigt een gepolariseerd filter dat is ontworpen om de verticale trillingen van de snaar door te geven en de horizontale te blokkeren. Afbeelding bron: cnx.org
Figuur 2: Een ongepolariseerde golf. De richting van de polarisatie verandert willekeurig langs de golf. Zonlicht en de meeste andere lichtbronnen zijn ongepolariseerd, maar worden gedeeltelijk gepolariseerd bij reflectie. Afbeelding bron: astronomy.nmsu.edu
Zonlicht kan gedeeltelijk gepolariseerd raken door verstrooiing van luchtmoleculen of door weerkaatsing op iets als een meer. Dit betekent dat de golven van de zon na verstrooiing of weerkaatsing niet meer in alle richtingen willekeurig zijn, maar gemiddeld een voorkeursrichting hebben. In het geval van een horizontaal oppervlak, zoals een meer of een weg, is de voorkeursrichting horizontaal. Dit horizontaal vibrerende gereflecteerde zonlicht is de hinder die we zien als schittering, en dit is de reden waarom gepolariseerde glazen zo nuttig zijn voor strandgangers en automobilisten: ze houden schittering tegen. De gepolariseerde filters op deze lenzen blokkeren bij voorkeur de horizontale component van de lichtschommeling, terwijl ze de verticale component doorlaten. Het resultaat is een donkerder beeld, maar met een beter contrast (zie figuur 3).
Figuur 3: Het bekijken van dezelfde scène met en zonder een polarisatiefilter. Het gereflecteerde zonlicht in de linker afbeelding is gedeeltelijk gepolariseerd. De rechterafbeelding is gemaakt met een filter dat horizontaal gepolariseerd licht blokkeert. Afbeelding bron: photography.ca/blog
De Fresnel-vergelijkingen laten op kwantitatieve wijze zien hoe ongepolariseerd licht gedeeltelijk gepolariseerd wordt na reflectie van een diëlektrisch oppervlak – zoals water of glas. De vergelijkingen worden hier alleen genoemd zodat de lezer kan zien dat de horizontaal gepolariseerde component van een golf in zijn reflectiecoëfficiënt verschilt van de verticaal gepolariseerde component. Ongelijke reflectiecoëfficiënten leiden ertoe dat ongepolariseerd licht gedeeltelijk gepolariseerd wordt. Interessant is dat de Fresnel vergelijkingen voorspellen dat er een hoek bestaat waarbij de schittering volledig gepolariseerd is, en niet slechts gedeeltelijk gepolariseerd. Met andere woorden, schittering vanuit deze hoek (bekend als de Brewster-hoek) kan volledig worden geblokkeerd door een ideaal polariserend filter. Het effect is dramatisch. (zie figuur 4).
Figuur 4: Verblindend licht dat onder de Brewster-hoek uit een raam komt. Het licht dat de schittering veroorzaakt is sterk gepolariseerd, zodat het polarisatiefilter (op het rechterraam) het vrijwel geheel kan verwijderen. Voor zoet water is de Brewster-hoek ongeveer 53 graden, dus de beste prestaties van gepolariseerde zonnebrillen op een kalm meer gebeuren wanneer de zon in een hoek van ongeveer 37 graden vanaf de horizon staat (90-53= 37). Beeldbron: boundless.com/physics
Om te begrijpen hoe gepolariseerde zonnebrillen horizontale polarisatie blokkeren, is het belangrijk te weten hoe de elektronen in de moleculen van het zonnebrilfilter zich gedragen. Elektronen worden in trilling gebracht door de inkomende lichtgolf en daarom wordt een deel van de golfenergie van het licht overgedragen op de elektronen om door de elektronen te worden gedissipeerd of gereflecteerd. Polariserende filters die in zonnebrillen worden gebruikt bevatten moleculen die het voor de elektronen gemakkelijk maken om in de horizontale richting (lange richting) te trillen, waardoor meer horizontaal gepolariseerde lichtenergie wordt afgevoerd. Aan de andere kant maken de lange moleculen het moeilijk voor de elektronen om in de verticale richting (korte richting) te bewegen, waardoor de elektronen minder verticaal gepolariseerde lichtgolven kunnen afvoeren. (zie figuur 5).
Figuur 5: Moleculen in een polarisatiefilter zijn lang in één richting en kort in de loodrechte richting. Elektronen kunnen vrij oscilleren langs de lengte van het molecuul en daarbij de lichtenergie absorberen of weerkaatsen, terwijl zij niet in staat zijn heel ver te oscilleren langs de korte richting. De “E-veld” pijlen in de figuur geven de richting van de polarisatie aan. De kleine bolletjes met het label “e-” stellen elektronen voor. Merk in de figuur op hoe de horizontaal gepolariseerde golf (boven) met verminderde amplitude uit de elektroneninteractie te voorschijn komt, terwijl de verticaal oscillerende golf (onder) met onverminderde amplitude te voorschijn komt. Image Source: voer.edu.vn
In de praktijk is het moeilijk om de lange moleculen allemaal in één richting op een rij te krijgen, maar enigszins op een rij staande moleculen zijn toch effectief om een polarisator te maken. Een manier om dit te bereiken is om lange-keten moleculen op een stuk transparant rekbaar materiaal te leggen en vervolgens het rekbare materiaal te verhitten en eraan te trekken. De lange molecuulketens, oorspronkelijk in willekeurige oriëntaties, zullen min of meer op één lijn liggen in de richting van het trekken.
Figuur 6 hieronder illustreert een vereenvoudigde samenvatting van alles wat we zojuist over polarisatie hebben besproken: verblindingsreducerende zonnebrillen!
Figuur 6: Gepolariseerde zonnebrillen blokkeren horizontaal gepolariseerd licht (rood) maar zenden verticaal gepolariseerd licht (blauw) door. Afbeelding bron: microscopyu.com
Ari Siletz is president van CCDMETRIX. Zijn bedrijf is gespecialiseerd in geautomatiseerde vision-systeeminspectie en metrologie. Ari heeft een achtergrond in zowel optische als software engineering en ontwikkelt sinds de jaren ’80 instrumenten voor de oogheelkundige en optische coatingindustrie. Schrijven is een van Ari’s serieuze hobby’s. Hij is een gepubliceerd auteur wiens korte verhalen in talrijke literaire anthologieën zijn verschenen. Hij woont in Sebastopol, Californië.