mały|Demonstracja polaryzacji fali mechanicznej

Polaryzacja – właściwość fali poprzecznej, dotycząca uporządkowanej relacji między kierunkiem oscylacji zaburzenia a kierunkiem rozchodzenia się fali. Polaryzacją nazywa się również proces osiągania określonego stanu polaryzacji.

W poprzecznej fali niespolaryzowanej oscylacje rozchodzącego się zaburzenia zachodzą z jednakową amplitudą we wszystkich kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Fala niespolaryzowana może być traktowana jako złożenie bardzo wielu fal spolaryzowanych w różny sposób.

Polaryzacja występuje tylko dla takich rodzajów fal i takich warunków, w których oscylacje mogą odbywać się w różnych kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. W innych przypadkach rozważanie zjawiska polaryzacji nie ma sensu – dotyczy to na przykład drgań rozchodzących się na powierzchni membrany i na granicach ośrodków o różnej gęstości (między innymi fale morskie). Fale dźwiękowe w gazach (również w powietrzu) nie podlegają zjawisku polaryzacji, gdyż są falami podłużnymi.

Rodzaje polaryzacji mały|Fala płaska spolaryzowana liniowo (kolor czerwony) oraz jej składowe w kierunkach i (kolor niebieski i zielony)

W zależności od kierunku oscylacji zaburzenia rozróżnia się wiele typów polaryzacji. W przypadku fali elektromagnetycznej rozchodzą się oscylacje zarówno pola magnetycznego, jak i elektrycznego. Obecnie zwyczajowo przyjęto, że polaryzację fali elektromagnetycznej określa się dla jej składowej elektrycznej (składowa magnetyczna jest do niej prostopadła).

Polaryzacja liniowa mały|Fala spolaryzowana kołowo prawoskrętnie mały|Fala spolaryzowana kołowo lewoskrętnie

W fali spolaryzowanej liniowo oscylacje odbywają się w jednej płaszczyźnie, która zawiera kierunek rozchodzenia się fali.

W układzie współrzędnych XYZ spolaryzowaną liniowo falę rozchodzącą się w kierunku osi OZ można przedstawić jako superpozycję dwóch fal spolaryzowanych liniowo w dowolnych ustalonych kierunkach (np. w kierunkach osi OX i OY). Fale składowe są w zgodnej fazie lub w przeciwfazie (przesunięte o 180°), a stosunek ich amplitud określa kierunek polaryzacji fali wypadkowej powstającej w wyniku opisanej superpozycji.

Polaryzacja kołowa alt=Powstawanie polaryzacji kołowej|mały|Złożenie dwóch fal spolaryzowanych liniowo, przesuniętych w fazie o π/2

W polaryzacji kołowej rozchodzące się zaburzenie (na przykład pole elektryczne lub odchylenie cząstki ośrodka materialnego od położenia równowagi) określane wzdłuż kierunku ruchu fali ma zawsze taką samą wartość, ale jego kierunek się zmienia. Kierunek zmian jest taki, że w ustalonym punkcie przestrzeni koniec wektora opisującego zaburzenie zatacza okrąg w czasie jednego okresu fali.

Taki ruch po okręgu można rozłożyć na dwa drgania harmoniczne o jednakowych amplitudach, ale o fazach przesuniętych o 90° lub 270° (–90°). W zależności do tego, czy fazy są przesunięte o 90° czy 270°, mówi się o polaryzacji kołowej prawoskrętnej lub polaryzacji kołowej lewoskrętnej. Wektor opisujący zaburzenie obraca się wtedy albo w prawo, albo w lewo.

Falę spolaryzowaną kołowo można otrzymać przez złożenie dwóch fal o jednakowych amplitudach i częstotliwościach, rozchodzących się w tym samym kierunku, spolaryzowanych liniowo w kierunkach wzajemnie prostopadłych, a przesuniętych w fazie o odpowiedni kąt.

Polaryzacja eliptyczna W polaryzacji eliptycznej rozchodzące się zaburzenie określane wzdłuż kierunku ruchu fali ma zawsze wartość i kierunek taki, że w ustalonym punkcie przestrzeni koniec wektora opisującego zaburzenie zatacza elipsę.

Falę spolaryzowaną eliptycznie można otrzymać przez złożenie dwóch fal o jednakowych częstotliwościach, rozchodzących się w tym samym kierunku, spolaryzowanych liniowo w kierunkach wzajemnie prostopadłych, przesuniętych w fazie o odpowiedni kąt, ale o różnych amplitudach. Można ją także otrzymać jako złożenie fal o polaryzacji liniowej i kołowej.

Zarówno polaryzacja liniowa, jak i kołowa to szczególne przypadki polaryzacji eliptycznej.

Inne rodzaje polaryzacji mały|Polaryzacja azymutalna i radialna promienia lasera

W przypadku fal elektromagnetycznych są możliwe również inne, dużo bardziej złożone rodzaje polaryzacji, spotykane na przykład w falowodach, albo wytwarzane za pomocą specjalnych laserów.

Przykładem może być polaryzacja radialna, w której wektor natężenia pola elektrycznego w każdym punkcie wiązki promieniowania jest skierowany w kierunku centrum wiązki, lub polaryzacja azymutalna, w którym jest styczny do obwodu wiązki. Tego typu fale zawierają często również składowe pola elektrycznego, magnetycznego (lub obu) równoległe do kierunku ruchu fali, nie są więc falami poprzecznymi.

Powstawanie fali spolaryzowanej Istnieją zjawiska fizyczne, które powodują powstanie fali spolaryzowanej w określony sposób – są one zarówno spotykane w naturze, jak i wykorzystywane technicznie.

Emisja fali spolaryzowanej Gdy zachodzące w pewnym kierunku drgania ośrodka materialnego powodują powstanie mechanicznej fali poprzecznej, to fala ta jest spolaryzowana – przykładem są drgania tektoniczne.

Fala elektromagnetyczna, której jednym ze składników jest pole elektryczne, może powstać w wyniku oscylacyjnego ruchu ładunku elektrycznego (na przykład w antenie dipolowej), który z kolei wywołuje rozchodzące się oscylacje tego pola. Powstająca fala jest spolaryzowana liniowo, a kierunek polaryzacji leży w płaszczyźnie wyznaczonej przez promieniujący dipol.

Promieniowanie cieplne, w tym także świecenie rozgrzanych ciał, powstaje w wyniku ruchów cząsteczek w przypadkowych kierunkach i dlatego światło emitowane przez rozgrzane ciała nie jest spolaryzowane. Niektóre źródła promieniowania elektromagnetycznego, w których kierunek drgań cząstek naładowanych (na przykład elektronów) jest ograniczony (na przykład poprzez silne pole elektryczne, magnetyczne lub budowę i uporządkowanie cząsteczek), wytwarzają światło spolaryzowane. Światło linii spektroskopowych powstające w polu magnetycznym, jeżeli pole magnetyczne wpływa na poziomy energetyczne, również jest spolaryzowane. Jeżeli określona polaryzacja emitowanej fali nie jest wymuszona, lecz tylko uprzywilejowana, to polaryzacja emitowanego światła jest częściowa.

Polaryzacja światła laserowego Światło emitowane przez lasery może być spolaryzowane. Przyczynami jego polaryzacji są: zależność wzmocnienia optycznego ośrodka czynnego lasera od polaryzacji światła (w kryształach anizotropowych), zależność strat rezonatora od polaryzacji: specjalnie w tym celu stosowane okienko Brewstera, niewielkie przypadkowe nachylenia elementów optycznych lasera, nawet jeżeli wzmocnienie lasera jest izotropowe, to na skutek wywołanych fluktuacjami termicznymi zmian właściwości optycznych pojawia się niestabilna spontaniczna polaryzacja, często o złożonym charakterze.

Odbicie od ośrodka dielektrycznego thumb|250px|Polaryzator światła wykorzystujący zjawisko polaryzacji przy odbiciu od ośrodka przezroczystego

Gdy niespolaryzowane światło pada na granicę dwóch ośrodków przezroczystych pod takim kątem (kąt Brewstera), że promień odbity tworzy z promieniem załamanym kąt prosty, to światło odbite zostaje całkowicie, a światło przechodzące częściowo spolaryzowane liniowo. Zjawisko polaryzacji przez odbicie zostało odkryte w 1809 r. przez Malusa. Dla innych kątów padania światła, światło odbite jest również spolaryzowane częściowo. Im kąt padania bardziej różni się od kąta Brewstera, tym stopień polaryzacji światła odbitego jest mniejszy. Przy odbiciach od dielektryków nieprzezroczystych promień załamany zostanie oczywiście pochłonięty, ale odbity jest nadal spolaryzowany.

Zjawisko to jest odpowiedzialne za polaryzację światła tęczy, która tworzy się na skutek załamań i odbić światła w kroplach wody oraz tęczowego halo wokół słońca i księżyca (o promieniach kątowych 22° i 46°), powstającego na skutek załamania promieni światła na heksagonalnych kryształkach lodu w wysokich warstwach atmosferyS. Szczeniowski, Optyka, s. 337..

Odbicie światła od powierzchni metalu nie polaryzuje światła niespolaryzowanego, ale zmienia stan polaryzacji odbitego pod kątem światła, na przykład przy odpowiednich kątach światło spolaryzowane liniowo po odbiciu od gładkiej powierzchni metalowej zmienia polaryzację na eliptyczną albo kołową. Zmiana polaryzacji wynika ze zmiany fazy składowej elektrycznej prostopadłej do powierzchni odbijającej w stosunku do składowej równoległej do niej.

Rozpraszanie fali thumb|250px|Światło spolaryzowane liniowo przy przejściu przez płytkę półfalową zmienia kierunek polaryzacji

Przy rozpraszaniu fali elektromagnetycznej na cząsteczkach mniejszych od jej długości następuje jej polaryzacja. Fala rozproszona pod kątem prostym jest całkowicie spolaryzowana liniowo, a rozproszona w innym kierunku jest spolaryzowana częściowo.

W atmosferze znajdują się drobne cząsteczki pyłów i aerozoli, które rozpraszają w ten sposób światło, istotną rolę gra też rozpraszanie na fluktuacjach termicznych powietrza. Zjawisko to odpowiada za polaryzację błękitu nieba i białego halo dookoła słońca i księżyca (wraz z odbiciem promieni światła od powierzchni kryształków lodu).

Analizując polaryzację światła rozproszonego, można określić kąt rozproszenia, czyli określić kierunek padania światła na medium rozpraszające, co jest wykorzystywane w astronomii.

Dwójłomność thumb|250px|Pryzmat Nicola – polaryzator wykorzystujący dwójłomność

Niektóre kryształy wykazują anizotropię stałej dielektrycznej, co powoduje, że prędkość rozchodzenia się światła, a więc i współczynnik załamania zależy od kierunku. W takim krysztale podczas załamania promień wchodzący do kryształu rozdziela się na dwa o prostopadłych polaryzacjach liniowych. Zjawisko to, wykorzystuje się do otrzymywania wiązki światła spolaryzowanego w pryzmacie Nicola.

W każdym krysztale dwójłomnym istnieje kierunek, w którym biegnące światło nie rozdziela się na dwa promienie, ale jego spolaryzowane składowe poruszają się z różnymi prędkościami. Zjawisko to wykorzystywane jest do zmiany rodzaju polaryzacji światła w płytkach ćwierćfalowych i płytkach półfalowych.

Selektywne pochłanianie thumb|250px|Polaryzacja fali elektromagnetycznej przy przejściu przez drabinkę z drutów

Fala rozchodząc się w ośrodku, w którym oscylacje w jednym z kierunków są tłumione silniej niż w prostopadłym do niego, ulegnie polaryzacji.

Przykładem takiego ośrodka dla fali elektromagnetycznej może być drabinka z drutów, czyli układ cienkich równoległych drutów przewodzących prąd elektryczny. Średnica drutów i odległość między nimi musi być mała, a ich długość porównywalna z długością fali. Układ taki pochłania fale, w których oscylacje wektora elektrycznego są równoległe do drutów, a przepuszcza fale, w których jego oscylacje są prostopadłe do drutów. Układy takie buduje się dla fal radiowych i mikrofal.

Polaryzatory dla podczerwieni i światła widzialnego działają na takiej samej zasadzie, lecz rolę drutów przejmują odpowiednio ułożone cząsteczki związków chemicznych. Można to osiągnąć poprzez rozciąganie w trakcie produkcji folii wykonanej z odpowiedniego tworzywa sztucznego, w wyniku czego powstaje układ równolegle ułożonych cząsteczek pochłaniających fale elektromagnetyczne spolaryzowane w jednym kierunku.

Zjawiska związane z polaryzacją Tekst poniżej opisuje polaryzację fal elektromagnetycznych, choć zjawiska te zachodzą też dla fal mechanicznych, przykładowo fal sejsmicznych rozchodzących się w Ziemi.

Dwójłomność wymuszona

Niektóre dielektryki wykazują zależność stałej dielektrycznej od przyłożonego pola elektrycznego lub magnetycznego. W normalnych warunkach nie są one dwójłomne, pod wpływem przyłożonego pola uzyskują tę właściwość. Zjawisko to na cześć odkrywcy nosi nazwę efektu Kerra i znalazło zastosowanie do modulacji światła polem elektrycznym w przyrządach zwanych komórkami Kerra.