Polarizarea luminii

Pana in acest moment, a fost suficient sa stim ca lumina se manifesta ca o unda periodica, dar nu a contat daca oscilatiile sale sunt transversale - cu vectorul de miscare orientat perpendicular pe directia de propagare -, sau logitudinale - cu vectorul de miscare orientat pe directia de propagare.

Sa facem urmatorul experiment: o sursa de lumina naturala proiecteaza un fascicul de lumina R, pe o lama 1 de sticla plana, sub un unghi de incidenta de 57 grade, de unde se reflecta (in punctul O) spre o a doua lama de sticla, pe care cade sub un unghi de incidenta tot de 57 grade (de ce am ales aceste valori pentru nghiurile de incidenta, vom vedea mai tarziu), unde sufera o a doua reflexie (in punctul O'). Lama 2 poate fi rotita in axul razei R1 cu 360 grade. La inceputul experientei, planurile in care sunt situate cele doua lame de sticla sunt paralele. Experimental putem observa ca lumina este reflectata pe lama 2 nestingherit.

Model pentru studiul polarizarii

Daca incepem sa rotim lama 2, vom observa ca intensitatea razei reflectate R2 incepe sa diminueze treptat, pana la un minim corespunzator unei rotatii de 90 grade.

Rezultatul rotirii oglinzii analizoare cu 90 grade

Continund rotatia peste 90 grade, intensitatea incepe treptat sa creasca si atinge din nou valoarea maxima la o rotatie de 180 de grade fata de momentul de inceput al experimentului. Rotatia in continuare, cu inca 180 grade, determina evenimente similare.

Rezultatul rotirii oglinzii analizoare cu 180 grade

Cum se explica aceasta diminuare a intensitatii razei R2?
Putem sa eliminam de la inceput orice consideratii legate de variatia unghiurilor de reflexie, care se metin constante, conform modelului expus.
Ceea ce se modifica este orientarea planului de incidenta, care se roteste in jurul axei R1. Rezulta de aici ca fasciculul R1 nu are o structura omogena in jurul directiei de propagare. De aici se deduce ca lumina nu are oscilatii longitudinale, cum au de exemplu undele sonore, ci transversale pe directia de propagare, in mod similar cu o coarda vibranta. La nivelul coardei vibrante, vectorul de vibratie (elongatie) este totdeauna situat normal pe directia de propagare si localizat intr-un plan de vibratie. Orice alt plan nu contine vibratii ale corzii (undei).
Revenind la experimentul nostru, putem deduce urmatoarele: fasciculul de lumina naturala R contine raze de lumina care vibreaza in toate planurile, nediscriminatoriu. Dupa prima reflexie, de la nivelul lamei L1, sunt reflectate doar acele raze al caror vector de vibratie sunt normale pe planul de incidenta. Acest tip de reflexie preferentiala poarta numele de polarizare, razele rezultante se numesc polarizate iar lama L1 se numeste si polarizor. In continuare, fasciulul de raze R1 contine raze de lumina ale caror vectori de oscilatie se afla intr-un singur plan. In prima etapa a experimentului, lama L2 are plan de incidenta identic cu L1 iar vectorii de vibratie ai R1 sunt normali si pe acest plan. Prin rotirea L2, unghiul dintre planul vectorilor de vibratie si planul de incidenta se reduce, pana la 0, ceea ce determina diminuarea in intensitate a fasciului reflectat R2, teoretic, pana la anulare. De ce teoretic? Pentru ca la nivelul fiecarei lame de sticla o parte din raze sunt reflectate si de suprafata posterioara, ceea ce induce o modificare de faza a acesor raze.
Fenomenul de polarizare nu a putut fi complet explicat decat dupa descoperirea naturii electromagnetice a luminii. S-a stabilit ca emisia luminii are loc la trecerea unui electron excitat, aflat pe un strat superior, pe un strat inferior, cu emisia unei cuante de lumina, care oscileaza intr-un anumit plan, deci este polarizata. Dar emisia de lumina are loc in masa, unde numerosi atomi emit simultan cuante de lumina, fiecare cunata cu planul ei de oscilatie, astfel incat fasciculul de lumina emisa oscileaza nepreferential, in toate planurile.
Studiind unghiul de incidenta al razei R asupra lamei L1 s-a observat ca raza reflectata R1 este polarizata intr-o proportie dependenta de unghiul de incidenta dar si de indicele de refractie al celor doua medii, in cazul nostru aerul si sticla, conform relatiei:

tg (i) = n2/n1

Unde n1 si n2 sunt indicii de refractie ai aerului si respectiv sticlei.
Pentru sticla obisnuita (n2 = 1,33), unghiul de incidenta pentru ca raza reflectata sa fie total polarizata, este de 57 grade, fapt aratat prima data ce catre Brewster.