3.3 Golfeigenschappen van zichtbaar licht
3.3.3 Polarisatie
In bovenstaande paragrafen hebben we duidelijk aangetoond dat licht een aantal golfeigenschappen bezit, zoals diffractie en interferentie. In het begin van dit hoofdstuk hebben we vermeld dat elektromagnetische golven transversale golven zijn. Het fenomeen van polarisatie, dat we hieronder zullen bespreken, is een duidelijke bevestiging hiervan.
Afbeelding 55: Als het weglengteverschil tussen een straal afkomstig uit a en een straal afkomstig uit b één golflengte is, zien we een minimum.
3 Elektromagnetische golven
a Polarisatieverschijnsel
Een gewone lichtstraal bestaat uit de superpositie van golven die uitgestuurd worden door de atomen of de moleculen van de lichtbron. Elk atoom produceert een golf met een eigen oriëntatie van
E
, afhankelijk van de atomaire vibratie.We definiëren de polarisatierichting van een elektromagnetische golf als
de richting waarin
E
vibreert.Vermits alle oriëntaties mogelijk zijn, is de resulterende elektromagnetische golf een superpositie van velden met verschillende oriëntatie. Het resultaat is ongepolariseerd licht. Alle richtingen zijn even waarschijnlijk voor de elektrische veldsterkte. Let op, op een gegeven moment en een bepaalde positie, is er slechts één resulterend elektrisch veld, dus laat je niet misleiden door afbeelding.
Veronderstellen we dat de golf zich voortplant in de Z-richting. Introduceren we een orthogonaal assenstelsel, dan kan de elektrische veldsterkte in een gegeven punt ontbonden worden in een component volgens de X-richting
E
x en een component in de Y-richtingE
y , zodat
E= E
x E
yWe noemen een golf lineair gepolariseerd als
E
steeds in dezelfde richting trilt voor een gegeven punt. Dit is het geval alsE
x en
E
y in fase variëren.Een golf is circulair gepolariseerd als
E
in een gegeven punt een cirkel beschrijft. Als
E
x enE
y beiden gelijk zijn in grootte, en variëren met een faseverschil van
2
, dan isde golf circulair gepolariseerd. Variëren
E
x en
E
y met een faseverschilvan
2
, maar zijn ze verschillend in grootte, dan is de golf elliptischgepolariseerd.
Afbeelding 56: Mogelijke richtingen van het elektrisch veld voor ongepolariseerd licht en gepolariseerd licht.
Afbeelding 57: Componenten van elektrisch veld in X en Y richting.
3 Elektromagnetische golven
b Polarisatie door absorptie
De meest gebruikte techniek om gepolariseerd licht te bekomen, is gebruik maken van een polarisator. Dit is materiaal dat enkel golven doorlaat waarvan het elektrisch veld volgens één bepaalde richting varieert (de doorlaat- of transmissierichting), en alle golven met andere trilrichtingen absorbeert. Combineren we twee polarisatoren waarvan we de doorlaatrichtingen loodrecht op elkaar plaatsen, dan is het
mogelijk om de doorgang van licht volledig te blokkeren. Indien de doorlaatrichtingen van de twee polarisatoren een willekeurige hoek
maken, dan wordt de intensiteit van de doorgelaten straling gegeven door de wet van Malus :I =I
0cos
2
Een zonnebril is een voorbeeld van een polarisator. Door licht te filteren waarvan het elektrisch veld niet volgend de voorkeurrichting ligt, wordt de intensiteit
Afbeelding 58: Circulair
gepolariseerde golf. Afbeelding 59: elliptische gepolariseerde golf Afbeelding 60: Lineair gepolariseerde golf. Bron : wikipedia.
Afbeelding 61: Absorptie door combinatie van twee polarisatoren.
3 Elektromagnetische golven
over alle mogelijke hoeken. Vermits de gemiddelde waarde van
cos
2=1
2
, is de intensiteit napasseren van een zonnebril ongeveer met de helft gereduceerd.
c Polarisatie bij weerkaatsing
Polarisatie kan je ook verkrijgen door reflectie en refractie.
De mate van polarisatie hangt af van de invalshoek. Bij invalshoek van 0° of van 90°, wordt het licht niet gepolariseerd. Bij tussenliggende hoeken, wordt zowel de gereflecteerde als de gebroken straal gedeeltelijk gepolariseerd. Indien de hoek tussen gereflecteerde en gebroken straal 90° is, dan is de gereflecteerde straal volledig gepolariseerd. De invalshoek waarbij dit gebeurt staat bekend als de hoek van Brewster.
Deze hoek kunnen we als volgt berekenen. Bekijk afbeelding waar zowel de invallende als de gebroken lichtstraal afgebeeld staan.
Zij
p de hoek waarbij volledige polarisatie optreedt. Uit de brekingswet volgt :n=sin
psin
,met n de brekingsindex van het medium.
Vermits
=90°−
p , volgt hieruit datsin =cos
p , waaruit :tan
p=n
Vermits de brekingsindex varieert met de golflengte, varieert ook de hoek van Brewster met de golflengte.
d Polarisatie door verstrooiing
Wanneer licht invalt op een systeem deeltjes, zoals een gas, dan kunnen de elektronen van dat medium het licht absorberen en het daarna opnieuw uitsturen in een andere richting (verstrooiing). Bij dit proces wordt het licht gedeeltelijk gepolariseerd. Dit effect wordt gebruikt in fotografie, waar men polarisatiefilters voor lenzen gaat plaatsen, om de lucht donkerder te laten lijken
Afbeelding 62: Een zonnebril is een toepassing van polarisatoren.
Afbeelding 63: Het effect van een polarisatiefilter. Hetzelfde
3 Elektromagnetische golven
en een groter contrast te bekomen.
De mate waarin licht wordt verstrooid is sterk afhankelijk van de golflengte. N2 en O2 molecules verstrooien kortere golflengtes (blauw) aanzienlijk meer dan langere golflengtes (rood), wat ervoor zorgt dat de hemel overdag blauw lijkt, zolang je binnen de atmosfeer blijft, en zwart wordt eens je buiten de atmosfeer bent.
e Optische activiteit
Een materiaal wordt optisch actief genoemd als het de polarisatierichting van invallend licht gaat roteren. Voorbeelden hiervan zijn suikeroplossingen, en plexiglas dat optisch actief wordt als er druk wordt uitgeoefend.
Afbeelding 64: Optische activiteit in een plastic voorwerp.
Afbeelding 65: Analoog als hiernaast.
3 Elektromagnetische golven
3.4 Oefeningen
1. Op 1,2 m van een dubbele opening staat een scherm. De afstand tussen de twee openingen bedraagt 0,03 mm. Het tweede-orde maximum (n=2) ligt op 45 cm van de middelloodlijn tussen de twee openingen. Bereken de golflengte van het licht, en bereken de afstand tussen twee opeenvolgende maxima.
2. Een lichtbron stuurt licht uit met twee verschillende golflengtes in het zichtbaar gebied, gegeven door
=430 nm
en=510 nm
. Deze bron wordt gebruikt in een interferentie-experiment met dubbele opening, met onderlinge afstand van 0,025 mm. Het scherm bevindt zich op 1,5 m van de openingen. Bereken de afstand tussen de afstand tussen de derde- orde maxima die corresponderen met de gegeven golflengtes.3. Bereken de minimum dikte van een dunne zeepfilm (n= 1,33) waarvoor constructieve interferentie wil optreden als de film belicht wordt met licht met golflengte in lucht van 600 nm.
4. Licht met golflengte 587,5 nm valt in op een enkelvoudige opening van 0,75 mm breed. Op welke afstand van de opening moeten we een scherm plaatsen als het eerste minimum zich op 0,85 mm van het midden van het scherm moet bevinden ?
4 Inleiding in de speciale relativiteitstheorie