Aby zobaczyć jak działają okulary polaryzacyjne, wygodnie jest myśleć o świetle jako o fali poruszającej się wzdłuż sznurka. Podobnie jak fala na sznurku, fala świetlna faluje poprzecznie do kierunku ruchu. I tak jak fala na sznurku, płaszczyzna, w której drga sznurek może mieć różne orientacje. Na przykład, oscylacja może drgać w górę i w dół, z boku na bok lub w dowolnej kombinacji tych dwóch kierunków. Jeśli struna oscyluje np. pod kątem 45 stopni, można to matematycznie rozłożyć na kombinację poziomych i pionowych składowych oscylacji w równych ilościach. Struna drgająca pod kątem, powiedzmy, 75 stopni ma więcej składowej pionowej niż poziomej. Kąt oscylacji poprzecznej nazywany jest „kątem polaryzacji” (patrz rysunek 1). Przy okazji, kiedy mówimy, że pewne źródło światła jest „niespolaryzowane”, mamy na myśli, że emituje ono fale pod przypadkowymi kątami, tak że średnio nie ma preferowanego kierunku polaryzacji. Bezpośrednie światło słoneczne, żarówki i świece są przykładami niespolaryzowanych źródeł światła. Prawie żadne naturalne źródło światła nie jest spolaryzowane u źródła; polaryzacja następuje po jakimś rodzaju interakcji z materią. Dlatego, dla prawie wszystkich źródeł światła, to jest tak, jakbyśmy poruszali sznurkiem w jednym kierunku poprzecznym, aby wygenerować falę wzdłuż sznurka, a następnie nieprzewidywalnie zmienili kierunek na inny poprzeczny, i tak dalej (patrz rysunek 2). Fale wychodzą rozkołysane w hodge-podge kątów polaryzacji, ale wszystkie podróżują wzdłuż kierunku sznurka.
Rysunek 1: „Kąt polaryzacji” to kąt poprzecznego kierunku oscylacji fali. Tutaj pokazane są poziomy (0 stopni) i pionowy (90 stopni). Kąt pomiędzy nimi może być traktowany jako mieszanina dwóch kierunków o różnych proporcjach mieszaniny. Szary prostokąt z pionową szczeliną reprezentuje filtr polaryzacyjny zaprojektowany tak, aby przepuszczać pionowe drgania struny i blokować poziome. Źródło obrazu: cnx.org
Rysunek 2: Fala niespolaryzowana. Kierunek polaryzacji zmienia się losowo wzdłuż fali. Światło słoneczne i większość innych źródeł światła są niespolaryzowane, ale przy odbiciu stają się częściowo spolaryzowane. Źródło obrazu: astronomy.nmsu.edu
Światło słoneczne może stać się częściowo spolaryzowane przez rozpraszanie cząsteczek powietrza lub przez odbicie od czegoś takiego jak jezioro. Oznacza to, że po rozproszeniu lub odbiciu kąty oscylacji fal słonecznych nie są już przypadkowe we wszystkich kierunkach, ale mają średnio preferowany kierunek. W przypadku poziomej powierzchni – jak jezioro lub droga – preferowany kierunek jest poziomy. To poziomo wibrujące odbite światło słoneczne jest uciążliwością, którą postrzegamy jako odblaski, i dlatego właśnie soczewki polaryzacyjne są tak przydatne plażowiczom i zmotoryzowanym: blokują one odblaski. Filtry polaryzacyjne w tych obiektywach preferencyjnie blokują poziomą składową drgań światła, przepuszczając jednocześnie składową pionową. W rezultacie obraz jest ciemniejszy, ale o lepszym kontraście (patrz Rysunek 3).
Rysunek 3: Oglądanie tej samej sceny z filtrem polaryzacyjnym i bez niego. Odbite światło słoneczne na lewym obrazie jest częściowo spolaryzowane. Prawe zdjęcie jest wykonane z filtrem blokującym światło spolaryzowane poziomo. Źródło obrazu: photography.ca/blog
Równania Fresnela ilościowo pokazują jak niespolaryzowane światło staje się częściowo spolaryzowane po odbiciu od powierzchni dielektrycznej – takiej jak woda lub szkło. Równania są tutaj wspomniane tylko po to, aby czytelnik mógł zobaczyć, że poziomo spolaryzowana składowa fali różni się współczynnikiem odbicia od składowej spolaryzowanej pionowo. Nierówne współczynniki odbicia prowadzą do tego, że światło niespolaryzowane staje się częściowo spolaryzowane. Co ciekawe, równania Fresnela przewidują istnienie kąta, dla którego odblaski są całkowicie spolaryzowane, a nie tylko częściowo spolaryzowane. Innymi słowy, odblaski pochodzące od tego kąta (znanego jako kąt Brewstera) mogą być całkowicie zablokowane przez idealny filtr polaryzacyjny. Efekt jest dramatyczny. (patrz rys. 4).
Rysunek 4: Blask odbijający się od okna pod kątem Brewstera. Światło wytwarzające odblaski jest silnie spolaryzowane, dzięki czemu filtr polaryzacyjny (na prawym oknie) może je praktycznie całkowicie usunąć. Dla słodkiej wody, kąt Brewstera wynosi około 53 stopni, więc szczytowa wydajność okularów polaryzacyjnych na spokojnym jeziorze ma miejsce, gdy słońce jest pod kątem około 37 stopni od horyzontu (90-53= 37). Źródło obrazu: boundless.com/physics
Aby zrozumieć, w jaki sposób okulary przeciwsłoneczne blokują polaryzację poziomą, ważne jest, aby wiedzieć, jak zachowują się elektrony w cząsteczkach filtra okularów przeciwsłonecznych. Elektrony są wprawiane w drgania przez przychodzącą falę świetlną i dlatego część energii fali świetlnej jest przenoszona na elektrony, które są rozpraszane lub odbijane przez elektrony. Filtry polaryzacyjne stosowane w okularach przeciwsłonecznych zawierają molekuły, które ułatwiają elektronom oscylację w kierunku poziomym (kierunek długi), rozpraszając w ten sposób więcej energii światła spolaryzowanego poziomo. Z drugiej strony, długie molekuły utrudniają elektronom oscylację w kierunku pionowym (kierunek krótki) – zmniejszając w ten sposób rozpraszanie przez elektrony pionowo spolaryzowanych fal świetlnych. (patrz rysunek 5).
Rysunek 5: Molekuły w filtrze polaryzacyjnym są długie w jednym kierunku i krótkie w kierunku prostopadłym. Elektrony mogą swobodnie oscylować wzdłuż długości molekuły, absorbując lub odbijając energię świetlną, podczas gdy nie są w stanie oscylować bardzo daleko wzdłuż krótkiego kierunku. Strzałki oznaczające „pole E” na rysunku pokazują kierunek polaryzacji. Małe kule oznaczone jako „e-” reprezentują elektrony. Zwróć uwagę na to, że poziomo spolaryzowana fala (górna) wychodzi z oddziaływania z elektronami ze zmniejszoną amplitudą, podczas gdy pionowo oscylująca fala (dolna) wychodzi z niezmniejszoną amplitudą. Image Source: voer.edu.vn
W praktyce trudno jest uzyskać długie molekuły ustawione w jednym kierunku, ale nieco ustawione molekuły są nadal skuteczne w tworzeniu polaryzatora. Jednym ze sposobów na osiągnięcie tego celu jest umieszczenie długołańcuchowych molekuł na kawałku przezroczystego, rozciągliwego materiału, a następnie podgrzanie i rozciągnięcie rozciągliwego materiału. Długie łańcuchy molekuł, początkowo w przypadkowej orientacji, ułożą się mniej lub bardziej zgodnie z kierunkiem ciągnięcia.
Rysunek 6 poniżej ilustruje uproszczone podsumowanie wszystkiego, co właśnie omówiliśmy na temat polaryzacji: okulary przeciwsłoneczne redukujące odblaski!
Rysunek 6: Spolaryzowane okulary przeciwsłoneczne blokują światło spolaryzowane poziomo (czerwone), ale przepuszczają światło spolaryzowane pionowo (niebieskie). Źródło obrazu: microscopyu.com
Ari Siletz jest prezesem firmy CCDMETRIX. Jego firma specjalizuje się w zautomatyzowanej inspekcji systemów wizyjnych i metrologii. Posiadając doświadczenie zarówno w dziedzinie optyki, jak i inżynierii oprogramowania, Ari od lat 80. opracowuje instrumenty dla przemysłu okulistycznego i powłok optycznych. Pisanie jest jednym z poważnych hobby Ariego. Jest publikowanym autorem, którego opowiadania pojawiły się w wielu antologiach literackich. Mieszka w Sebastopolu, w Kalifornii.