Polarizace světelných vln

Elektromagnetická vlna

Světlo se tedy chová jako vlnění, jak nám dokazují jevy difrakce a interference. Popisujeme-li mechanickou vlnu jako kmitání, které se šíří ve hmotném prostředí, v případě světelného vlnění je situace trochu jiná. Světlo ke svému šíření hmotné prostředí nepotřebuje. Jak tedy světelnou vlnu popíšeme?

Světelnou vlnu si můžeme znázornit následujícím schématem:

Světelné vlnění je tvořeno dvěma navzájem kolmými vektory – vektorem elektrické intenzity \(\Vec{E}\) a vektorem magnetické indukce \(\Vec{B}\), které jsou zároveň kolmé na směr šíření. V průběhu šíření vlnění tyto vektory mění svou velikost – oba kmitají ve směru kolmém ke směru šíření. Světlo je příčné elektromagnetické vlnění. Více o vzniku elektromagnetického vlnění, ke kterému patří i světlo, si povíme v kapitole 26.

Sluneční světlo nebo světlo žárovky je tzv. nepolarizované. Elektrická intenzita \(\Vec{E}\) kmitá v libovolné přímce kolmé na směr šíření. Můžeme si ji znázornit jako na následujícím obrázku, na kterém tmavý bod značí světelné vlnění, které se šíří k nám, a pro vektor \(\Vec{E}\) je povolen libovolný směr.

V případě polarizovaného vlnění již vektor elektrické intenzity kmitá pouze v jednom jediném směru. Takové vlnění nazýváme lineárně polarizované. V určité analogii tomu odpovídají směry vlasů neučesaného a učesaného kluka.

Způsoby polarizace

Polarizované světlo můžeme získat několika způsoby. Tím nejběžnějším je použití polarizačního filtru. Ten je vyroben z látky, jejíž molekuly jsou velmi podlouhlé a ve kterých elektrony oscilují právě ve směru jedné podélné osy. Při průchodu světla látkou je světlo kmitající v této podélné rovině elektrony pohlceno, zatímco vlna kmitající ve směru kolmém k molekulám filtrem projde. Filtr má tedy jednu polarizační osu, v jejímž směru světlo prochází, ostatní roviny kmitání elektromagnetických vln jsou absorbovány.

Polarizované světlo vzniká také odrazem. Když se podíváte na skleněnou plochu přes polarizační filtr a začnete jím otáčet, budou se měnit odlesky na skle. Odražené světlo je částečně polarizované a otáčením polarizačního filtru před objektivem můžeme zcela eliminovat jeho průnik do fotoaparátu. Fotografové využívají polarizační filtr při fotografování budov, v galeriích nebo v krajinářské fotografii pro ztmavení oblohy.

Velmi známým způsobem polarizace je dvojlom. Pozorujeme-li nějaký předmět přes průhledné prostředí, obyčejně se objeví jeden obraz. Krystaly islandského vápence (viz obrázek) však vytvářejí obrazy dva.

Světlo procházející přes islandský vápenec je zcela polarizované – jeho vlny jsou orientovány ve dvou navzájem kolmých rovinách. Můžeme se o tom přesvědčit jednoduchým experimentem, ve kterém nad krystalem otáčíme polarizačním filtrem a sledujeme, jak se postupně ztrácí jeden obraz a zároveň objevuje druhý.

Poznámka na okraj: Proč k rozdělení světla dochází?

Je to dáno krystalickou strukturou. Krystal je anizotropní, což znamená, že se v něm dvě navzájem kolmo polarizované vlny šíří různými rychlostmi, a krystal má tedy dva indexy lomu, pro každou polarizaci světla jiný. Tyto indexy jsou značně rozdílné – např. pro zmíněný islandský vápenec \(n_\mathrm{r}=1{,}658\) a \(n_\mathrm{m}=1{,}486\). Světlo tedy prochází přes krystal dvěma cestami, je rozděleno na dvě vlny. Tyto vlny jsou zcela polarizovány v navzájem kolmých rovinách, proto se při jejich analýze otáčením polarizačního filtru vždy jedna vlna ztrácí a druhá zeslabuje.

Jestliže mezi zkřížené polarizátory vložíme anizotropní materiál, dojde mezi oběma vlnami

k určitému časovému zpoždění, které bude mít za následek interferenci mezi těmito vlnami, a vznikne barevné spektrum. Toho můžeme využít ke zvýraznění kontrastu v optické mikroskopii krystalů nebo ke zviditelnění napětí v různých průhledných materiálech (viz galerie).

Kde polarizaci využijeme?