Metode de Polarizare a Luminii

Universitatea Politehnica Bucuresti

Facultatea de Inginerie a Sistemelor Biotehnice

Metode de Polarizare a Luminii

~REFERAT~



INTRODUCERE

Polarizarea este o caracteristică a tuturor undelor transversale[1].

Lumina, ca radiaţie electromagnetică, este şi ea o undă transversală, direcţiile de oscilaţie ale vectorilor câmp electric şi magnetic fiind perpendiculare pe directia de propagare a luminii . Lumina pentru care vectorul câmp electric are o singurã direcţie de oscilaţie se numeşte luminã linear polarizatã sau total polarizatã (a). Lumina in care vectorul câmp electric vibreazã haotic in toate direcţiile posibile intr-un plan perpendicular pe direcţia de propagare se numeşte luminã naturalã sau nepolarizatã(b) .Lumina care se caracterizeazã prin aceea cã una din direcţiile de vibraţie este predominantã dar nu este unicã se numeşte parţial polarizatã(c).In general, vectorul câmp electric, ce vibrează într-un plan perpendicular pe direcţia de propagare, nu are aceeaşi direcţie în acest plan, aceasta poate depinde de timp. Ca urmare, vârful vectorului câmp electric descrie o traiectorie eliptică în acest plan, care generează în cursul propagării o spirală eliptică. Se spune în acest caz, că unda luminoasă este polarizată eliptic (d). Dacă traiectoria rezultantă a vârfului vectorului câmp electric este un cerc unda luminoasă se numeşte circular polarizată (e). Pe traiectoria eliptică sau circulară, vârful vectorului luminos se poate roti spre dreapta sau sau spre stânga.

Fenomenul de transformare a luminii nepolarizate in lumina parţial sau total polarizatã se numeste polarizare.

I. Polarizarea luminii prin dicroism



Proprietatea unor materiale de a absorbi în mod diferit vibraţiile luminoase care se efectuează pe direcţii diferite se numeşte dicroism [2] . Substanţele caracterizate prin valori diferite ale celor trei coeficienţi de absorbţie liniarã internã se numesc tricroice, iar cele pentru care doi coeficienţi de absorbţie liniarã internã sunt diferiţi se numesc dicroice. Asfel de materiale sunt utilizate pentru confecţionarea filtrelor polarizoare pentru lumină, polaroizi. Filtrul de polarizare sau polaroidul este un strat de substanţa anizotropã care schimbã gradul de polarizare a radiaţiei prin absorbtie anizotropã (dicroism sau tricroism) O placă polaroid este realizată dintr-un material plastic, conţinând lanţuri hidrocarbonice lungi, aliniate după o direcţie în procesul de laminare al plăcii. Placa este introdusă apoi într-o soluţie de iod. Iodul se ataşează lanţurilor hidrocarbonice şi furnizează electronii de conducţie, care pot mişca în lungul direcţiei de întindere. Astfel, foaia de polaroid are o axã (în planul foii) numitã axa transmisiei uşoare. Dacã intensitatea de câmp electric este orientatã de-a lungul acestei axe, lumina este transmisã cu o absorbţie mica. Pentru orientarea pe direcţie perpendicularã pe axa transmisiei uşoare lumina este complet absorbitã.Axa transmisiei uşoare este perpendicularã pe direcţia de intindere a plasticului.Prin polarizor perfect se inţelege un polaroid la care se neglijeazã pierderile datorate reflexiilor pe suprafete, componenta nedoritã este complet absorbitã, iar cea doritã, paralelã cu axa transmisiei uşoare este complet transmisã .

II. Polarizarea prin reflexie . Formulele lui Fresnel

Formulele lui Fresnel [3] dau amplitudinile undelor reflectate şi refractate în funcţie de amplitudinea undei incidente. Se considerã o suprafaţã de separaţie reflectantã a unui mediu dielectric, omogen si izotrop(fig.2) . Se noteazã cu

E⊥, EII componentele amplitudinii undei incidente normalã respectiv paralelã la planul de incidenţã. Aceastã descompunere este posibilã întotdeauna, deoarece o undã nepolarizatã poate fi consideratã ca suprapunerea a douã unde polarizate liniar în plane reciproc perpendiculare.


Facultatea de Inginerie a Sistemelor BiotehniceFormulele lui Fresnel se scriu astfel:

Cu ajutorul acestor relaţii se poate explica polarizarea prin reflexie şi refracţie. Datoritã simetriei undei incidente se poate considera EII= E⊥ .

Din formulele lui Fresnel rezulta :

Aceastã relaţie aratã cã, componenta paralelã cu planul de incidenţa a undei reflectate este mai micã decât componenta perpendicularã pe planul de incidenţã cu excepţia cazurilor i=0 sau i=π/2 când acestea sunt egale.În aceste douã cazuri lumina reflectatã este nepolarizatã. Pentru reflexii sub unghiuri cuprinse între 0 si π/2 existã intotdeauna o preponderenţã a vibraţiei perpendiculare la planul de incidenţã fatã de cea paralelã .Unda reflectatã este parţial polarizatã .


Facultatea de Inginerie a Sistemelor BiotehniceExistã şi situaţia când unda reflectatã este total polarizatã dacã i+r= π/2, adicã raza reflectatã şi cea refractatã sunt perpendiculare. In acest caz E”II =0 şi unda reflectatã are nenulã numai component perpendicularã pe planul de incidenţã, fiind deci polarizatã liniar . Condiţia de polarizare totala se obţine pentru un unghi de incidenţa i dat de relaţia :

Aceastã relaţie este cunoscutã sub denumirea de condiţia lui Brewster, iar incidenţa corespunzãtoare se numeşte incidenţã brewsterianã. De exemplu pentru sticlã, n=1,5 si atunci i= 56°.Dacã unda incidentã este polarizatã liniar în planul de incidenţã (adicã E⊥ =0) si cade sub incidenţa brewsterianã atunci unda reflectatã nu existã .

III. Polarizarea prin difuzie.

Se ştie că difuzia luminii de către particulele mediului se realizează prin absorbţia şi reemisia undei de către particule, care se comportă ca nişte dipoli oscilanţi.Când o undă luminoasă străbate un mediu, câmpul electromagnetic al undei interacţionează cu particulele mediului, energia undelor fiind absorbită de acestea şi apoi reemisă, lumina fiind astfel împrăştiată( difuzată) în toate direcţiile. Un astfel de exemplu este cel oferit de razele de soare care pătrund într-o cameră întunecată, în care particulele de praf din atmosferă pot fi observate ca puncte strălucitoare datorită luminii difuzate. Pentru a explica polarizarea luminii albastre a cerului vom considera axa z pe direcţia de propagare a luminii de la Soare la o moleculã de aer .Lumina solarã e nepolarizatã. Electronii dintr-o moleculã de aer acţioneazã ca nişte oscilatori acţionaţi de lumina incidentã.Oscilaţiile lor se pot descompune într-o suprapunere de mişcãri de-a lungul lui x şi y . Particula difuzantă este echivalentă cu doi dipoli care oscilează pe direcţii perpendiculare. Electronii oscilanţi radiazã în toate direcţiile dar nu radiazã în toate la fel de bine.


Facultatea de Inginerie a Sistemelor BiotehniceDirecţia polarizãrii câmpului electric radiat de o singurã sarcinã punctualã oscilantã receptatã de observator este perpendicularã pe direcţia ce uneşte sarcina oscilantã cu observatorul.Dacã observatorul este pe direcţia y el vede numai componenta x a mişcarii. Fenomenul de difuzie este caracteristic propagării luminii prin medii neomogene. Culoarea cerului înspre soarele aflat la apus apare galben- roşiatică deoarece în lumina care vine de la soare şi străbate atmosfera, radiaţiile albastre sunt împrăştiate prin difuzie, rămânâd predominante cele cu lungime de undă mare (înspre roşu).

IV. Polarizarea prin birefringenta

Una din caracteristicile de bazã ale cristalelor anizotrope constã în producerea a douã raze refractate pentru fiecare razã incidentã. Acest fenomen de dubla refracţie sau birefringenţã a fost observat prima datã de Bartholinus in1669 la spatul de Islanda şi este specific tuturor cristalelor cu excepţia celor care cristalizeaza în sistemul cubic. Propagarea undelor intr-un mediu omogen şi izotrop cum este sticla poate fi determinatã grafic cu construcţia lui Huygens.Intr-o substanţã anizotropã viteza undei luminoase depinde de direcţia de propagare. Intr-un astfel de cristal de pe fiecare suprafaţã de undã se propagã douã seturi de unde Huygens secundare, unele sferice şi altele elipsoidale . Cele douã seturi sunt tangente unul altuia de-a lungul unei direcţii numita axã opticã.



Prin cristal se propagã douã seturi de fronturi de undã, unul tangent la sfere iar celãlalt la elipsoizi. Raza ce corespunde suprafeţelor de de undã tangente la undele secundare sferice se numeşte razã ordinarã .Raza ce corespunde suprafeţelor tangente la elipsoizi este deviatã chiar şi la incidenţã normalã şi se numeşte razã extraordinarã. Numai raza ordinarã respectã legea a doua a refracţiei. Cele două raze sunt polarizate în plane perpendiculare: în raza ordinară oscilaţiile au loc perpendicular pe planul principal, iar în cea extraordinară oscilaţiile au loc în plan paralel cu cel al secţiunii principale, determinata de raza incidenta si directia axei optice .Dacã se propagã pe direcţia axei optice cele douã raze au aceeaşi viteza.(fig.6(a)) Diferenţa intre vitezele de propagare ale celor

douã raze este maximã când propagarea se face perpendicular pe axa optica .(b)


Facultatea de Inginerie a Sistemelor BiotehniceIn acest caz se definesc indicii de refracţie corespunzãtori celor douã unde : ne, no Mãrimea fizicã egalã cu diferenţa celor doi indici de refracţie se numeşte biferingenţã .Substanţele care au o singurã direcţie pentru care vitezele de propagare ale celor douã unde sunt egale se numesc uniaxiale. Dacã existã douã astfel de direcţii substanţa se numeşte biaxialã .

V. Rotirea planului de polarizare

Dacã intre doi nicoli care lucreazã în extincţie se introduce o lamelã de cuarţ, ale cãrei feţe de intrare şiieşire sunt perpendiculare pe axa opticã se observã apariţia luminii în câmpul analizorului. [4] Rotind lamela în planul sãu, iluminarea câmpului analizorului se menţine, în timp ce prin rotirea analizorului de unghi α, situaţia iniţialã de extincţie se restabileste.Lama de cuarţ a rotit planul de vibraţie al luminii liniar polarizate ce a traversat-o.Fenomenul de rotire a planului de vibraţie al luminii polarizate linear poartã denumirea de polarizaţie rotatorie şi a fost descoperit in 1811 de cãtre Arago.Substanţele care rotesc planul de polarizare se numesc optic active. Se constată experimental că la propagarea în medii optic active, a luminii polarizate circular, viteza de propagare a undei polarizată circular dreapta este diferită de cea a undei polarizată circular stânga. Intrucât o undă polarizată linear se poate descompune în două unde polarizate circular, una - spre dreapta, alta-spre stânga, după străbaterea unui astfel de mediu, va rezulta o rotire a planului de polarizare al undei polarizată liniar. Unghiul de rotaţie variazã proporţional cu grosimea L a stratului de substanţã, α=ρL, unde ρ denumitã putere rotatorie sau rotaţie specificã, reprezintã valoarea unghiului de rotire pentru o grosime a lamei egala cu unitatea . Unghiul de rotire în cazul aceleiaşi substanţe variazã invers proporţional cu pãtratul lungimii de undã a radiaţiei luminoase, adica α=A/λ^2 unde A este o constantã ce depinde de natura substanţei.Din aceastã cauzã fasciculele de luminã albã suferã un fenomen de dispersie rotatorie, cu descompunerea luminii albe în toate radiaţiile componente şi rotirea planului de vibraţie a fiecarei componente în mod diferit . I.B.Biot in 1815 a arãtat cã soluţiile lichide ale unor subsţanţe în solventi optic inactivi sunt optic active.El a introdus o lege care îi poarta numele: α=ρccL unde c exprima concentraţia solutiei, iar ρc este caracteristicã substantei optic active şi se numeşte putere rotatorie specifica.


Facultatea de Inginerie a Sistemelor Biotehnice Fenomenul de polarizaţie rotatorie este folosit pentru determinarea concentraţiei substanţelor optic active. Aparatele cu care se mãsoarã unghiul de rotire al planului de polarizare se numesc polarimetre.Activitatea opticã a substanţelor este determinatã de structura lor sau de structura moleculelor din care sunt formate.Faptul cã activitatea opticã a cuarţului cristalin este determinatã de caracteristicile reţelei cristaline rezultã şi din faptul cã cuarţul topit nu este optic activ. În cazul substanţelor izotrope, activitatea opticã este determinatã de structura moleculelor.De exemplu soluţiile de zahãr sunt dextrogire, indicand faptul cã activitatea opticã este o proprietate a moleculei de zahar.Rotaţia planului de polarizare de catre o solutie de zahãr este folositã in comerţ pentru determinarea proporţiei de zahãr dintr-o probã.

VI.Concluzii

Aplicaţiile luminii polarizate in ştiinţă şi tehnică sunt forte numeroase . Sub acţiunea unor câmpuri de forţă, substanţele izotrope pot deveni anizotrope. Anizotropia produsă de câmpuri de forţe se numeşte anizotropie indusă. Dacă anizotropia se păstrează şi după încetarea acţiunii câmpului de forţe ea se numeşte anizotropie remanentă. Principalele câmpuri care pot produce anizotropie sunt câmpurile de forţe mecanice, electrice şi magnetice. Anizotropia remanentă poate fi observată la obiectele de sticlă care în urma unui proces de racier neuniformă păstrează tensiuni mecanice interne. Tensiunile create conduc la scăderea fiabilităţii obiectelor de sticlă şi de aceea trebuie eliminate printr-un proces de încălzire urmată de o răcire lentă. Controlul calităţii obiectelor din sticlă, în privinţa tensiunilor interne, se face în lumină polarizată introducând obiectul de studiat între un polarizor şi un analizor cu direcţiile de transmisie în cruce. Dacă obiectul de sticlă este anizotrop, în câmpul vizual apar zone luminoase care ne dau informaţii despre modul de distribuţie a tensiunilor interne. Aparatul utilizat se numeşte polariscop. Anizotropia mecanică poate fi indusă şi prin întindere nu numai prin comprimare. Astfel în procesul de etirare a foliilor sau fibrelor sintetice, din materiale polimere, are loc o orientare preferenţială a macromoleculelor pe direcţia de întindere [5]. Fenomenul de anizotropie mecanică se foloseşte în aeronautică, în construcţii, pentru vizualizarea câmpului de forţe şi pentru estimarea rezistenţei materialelor prin simulări în laborator.



Bibliografie

[1]www.csid.utt.ro/course_docs/ fizica %20Modul-5.pdf [2]. Dana Ortansa Dorohoi, Optica, teorie, experiente, probleme rezolvate, Ed. “Ştefan Procopiu”, Iasi, 1995 [3]. Sears F.W., Zemanschi M.W., Young H.D., Fizica, EDP- Bucureşti, 1983; [4]. V.Pop,“Optica”, Ed.Univ. Al.I.Cuza, Iasi, 1998 [5].M.G.Delibas, Curs de optica , editura universităţii Al.I.Cuza,Iasi, 1999

VII.Note Personale

BirefringentaUna dintre metodele de polarizare a luminii este polarizarea prin dubla refractie«. In medii transparente anizotrope optic, proprietatile optice depind de directie. Un astfel de mediu este cristalul de calcita, numit si spat de Islanda. in general, intr-un astfel de cristal, raza incidenta se descompune prin refractie in doua raze distincte.Una dintre razele refractate respecta legea refractiei si este numita raza ordinara sau raza o. A doua raze este numita raza extraordinara sau raza e, deoarece ea nu satisface legea refractiei, Acest fenomen de descompunere a razei incidente in doua raze refractate este numit dubla refractie sau birefrigerenta. in orice cristal exista insa cel putin o directte, numita axa optica, dupa care fenomenul de dubla refractie nu se manifesta. Orice alta linie din cristal,paralela cu aceasta este tot o axa optica.In fasciculele ordinar si extraordinar lumina este polarizata total si are planele de oscilatie perpendiculare. Diferenta intre undele reprezentate de razele o si e se explica in felul urmator. Unda o se propaga in cristal cu aceeasi viteza v in toate directlile. Aceasta inseamna ca pentru unda o cristalul are indicele de refractie n = c/v.Unda e, In schimb, are o viteza de propagare care depinde de directie si variaza de la valoarea v la o valoare ve. Aceasta insearnna ca, pentru unda e, cristalul are un indice de refractive care variaza in functie de directie de la n la ne. Aceste doua marimi sunt numite indici principali de refractie ai cristalului. Datorita existentei vitezei de propagare diferite dupa directii diferite, in cristal frontul undei e nu este sferic ci elipsoidal si, ca urmare, unda e are alta directie de propagare.

http://www.csid.utt.ro/course_docs/fizica%20Modul-5.pdf


Facultatea de Inginerie a Sistemelor BiotehniceReflexia Polarizarea prin reflexie constituie o alta metoda de polarizare a luminii naturale. Malus a constatat ca. atunci cand lumina naturals cade pe o suprafata reflectatoare (de exemplu,sticla lustruita) are loc o reftexie preferentiala a acelor unde in care vectorul este perpendicular pe pianul de incidenta. Experimental s-a constatat ca exista o valoare particulara a unghiuluide incidenta, numit unghi de incidenta brewsteriana, iB, pentru care lumina reflectata, desi de slaba intensitate, este polarizata liniar. in cazul reflexiei din aer pe o suprafata de sticla iB≫57°. Din componentele perpendiculare pe planul de incidenta sunt reflectate circa 15%. iar restul sunt transmise prin refractie. De aceea, lumina transrnisa este intensa si polarizata partial. Folosind o succesiune de lame de sticla cu fete plan-paralele se poate ajunge in situatia ca si lumina transmisa prin refractie sa fie aproape total polarizata.

Transmisia Metoda moderna, simpla, de realizare practica a polarizarii luminii naturale consta in utilizarea unei pelicule polarizante, numita commercial polaroid. O astfel de pelicula prezinta o directie de polarizare indicata prin linii paralele. Aceasta directie de polarizare este realizata prin introducerea intr-o pelicula flexibila de material plastic a unor lanturi moleculare paralele. Polaroidul a rarnas in istoria descoperirilor stiintifice ca inventie apartinand lui Edwin Land, cel care a inventat prima folie polarizoare in anii '50, la varsta de 19 ani. Tot el a inventat fotografia instant. Numele Polaroid a fost atribuit companiei pe care Land a fondat-o si a condus-o transformand-o intr-o corporatie de succes. Pelicula polaroid transmite numai acea componenta a vectorului care este paralela cu directia de polarizare. De aceea pelicula polaroid este numita polarizor. Daca vectorul intensitate luminoasa face unghiul q cu directia lanturilor moleculare din pelicula polaroid, componenta transmisa este Ey = E· cosθ Daca amplitudinea de osciletie a vectorului este Em, atunci amplitudinea de oscilatie a componentei Ey este Em· cosθ Deoarece intensitatea luminoasa este proportionala cu patratul amplitudinii, rezulta ca intensitatea luminoasa a undei, polarizata liniar, transmise de pelicula polaroid este data de relatia: I(θ)=Im × cos^2θ unde Im este intensitatea maxima a undei transmise si corespunde unghiului θ=0. Aceasta relatie, numita legea lui Malus, a fost descoperita experimental,in 1809, de Louis Malus (1775 -1812) folosind metoda polarizarii prin reflexie. Daca lumina polarizata liniar, transmisa de polarizor, cade pe o pelicula polaroid, numita analizor, paralela cu polarizorul, dar avand lanturile moleculare perpendieculare pe cele ale polarizorului se constata ca dincolo de analizor nu mai este transrnisa nici un fel de lumina. Conform legii lui Malus: I(θ=π/2)=o

Metode de Polarizare a Luminii

Documents

Transcript of Metode de Polarizare a Luminii