La polarización de la luz es el fenómeno que se produce cuando la onda electromagnética que constituye la luz visible oscila en una dirección preferencial. Una onda electromagnética está compuesta de una onda eléctrica y una onda magnética, ambas transversales a la dirección de propagación. La oscilación magnética es simultánea e inseparable de la oscilación eléctrica y ocurre en direcciones mutuamente ortogonales.
La luz que la mayoría de las fuentes luminosas emiten, como el Sol o una bombilla, es no-polarizada, lo que significa que ambas componentes: eléctrica y magnética, oscilan en todas las direcciones posibles, aunque siempre perpendiculares a la dirección de propagación.
Pero cuando hay una dirección preferencial o única de oscilación de la componente eléctrica entonces se habla de una onda electromagnética polarizada. Más aún, si la frecuencia de la oscilación está en el espectro visible, entonces se habla de luz polarizada.
A continuación veremos los tipos de polarización y los fenómenos físicos que producen luz polarizada.
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Tipos de polarización
Polarización lineal
La polarización lineal ocurre cuando el plano de oscilación del campo eléctrico de la onda luminosa tiene una única dirección, perpendicular a la dirección de propagación. Este plano se toma, por convención, como el plano de polarización.
Y la componente magnética se comporta igual: su dirección es perpendicular a la componente eléctrica de la onda, es única y además es perpendicular a la dirección de propagación.
La figura superior muestra una onda polarizada linealmente. En el caso mostrado el vector campo eléctrico oscila paralelo al eje X, mientras que el vector campo magnético oscila simultáneamente al eléctrico, pero en dirección Y. Ambas oscilaciones son perpendiculares a la dirección de propagación Z.
Se puede tener polarización lineal oblicua como resultado de la superposición de dos ondas que oscilan en fase y tienen planos de polarización ortogonales, como el caso mostrado en la figura inferior, donde se muestra en azul el plano de oscilación del campo eléctrico en la onda luminosa.
Polarización circular
En este caso, la amplitud de los campos eléctrico y magnético de la onda luminosa tiene magnitud constante, pero su dirección gira con rapidez angular constante en la dirección transversal a la dirección de propagación.
La figura inferior muestra el giro de la amplitud del campo eléctrico (en color rojo). Este giro resulta de la suma o superposición de dos ondas con la misma amplitud y polarizadas linealmente en planos ortogonales, cuya diferencia de fase es de π/2 radianes. Se representan en la figura inferior como ondas de color azul y verde respectivamente.
La forma de escribir matemáticamente las componentes x e y del campo eléctrico de una onda con polarización circular dextrógira, de amplitud Eo y que se propaga en la dirección z es:
E = (Ex i; Ey j; Ez k) = Eo ( Cos[(2π/λ)(c t – z)] i; Cos[(2π/λ)(c t – z) – π/2] j; 0 k)
En cambio, una onda con polarización circular levógira de amplitud Eo que se propaga en la dirección z se representa mediante:
E = (Ex i; Ey j; Ez k) = Eo ( Cos[(2π/λ)(c t – z)] i, Cos[(2π/λ)(c t – z) + π/2] j, 0 k)
Nótese que se cambia el signo en la diferencia de fase de un cuarto de onda de la componente y, respecto de la componente x.
Tanto para el caso dextrógiro como levógiro, el vector campo magnético B se relaciona con el vector campo eléctrico E mediante producto vectorial entre el vector unitario en la dirección de propagación y E, incluyendo un factor de escala igual al inverso de la velocidad de la luz:
B = (1/c) ûz ｘ E
Polarización elíptica
La polarización elíptica es similar a la polarización circular, con la diferencia que la amplitud del campo rota describiendo una elipse en vez de una circunferencia.
La onda con polarización elíptica es la superposición de dos ondas linealmente polarizadas en planos perpendiculares con un adelanto o atraso de π/2 radianes en la fase de una respecto de la otra, pero con el añadido que la amplitud del campo en cada una de las componentes es diferente.
Fenómenos debido a la polarización luminosa
La reflexión
Cuando un haz luminoso no polarizado incide sobre una superficie, por ejemplo un vidrio, o la superficie del agua, parte de la luz se refleja y parte se transmite. La componente reflejada tiene polarización parcial, a menos que la incidencia del haz sea perpendicular a la superficie.
En el caso particular de que el ángulo del haz reflejado forme ángulo recto con el haz transmitido, la luz reflejada tiene polarización lineal total, en la dirección normal al plano de incidencia y paralela a la superficie reflectante. El ángulo de incidencia que produce polarización total por reflexión se conoce como ángulo de Brewster.
La absorción selectiva
Algunos materiales permiten la transmisión selectiva de un determinado plano de polarización de la componente eléctrica de la onda luminosa.
Esta es la propiedad que se usa para la fabricación de los filtros polarizadores, en los que generalmente se usa un polímero a base de yodo estirado al límite y alineado a modo de rejilla, compactado entre dos láminas de vidrio.
Tal disposición actúa como una rejilla conductora que “cortocircuita” la componente eléctrica de la onda a lo largo de las estrías, y permite el paso de las componentes transversales al fibrado polimérico. La luz transmitida queda así polarizada en la dirección transversal del estriado.
Colocando un segundo filtro polarizador (llamado analizador) a la luz ya polarizada se puede obtener un efecto de obturador.
Cuando la orientación del analizador coincide con el plano de polarización de la luz incidente toda la luz pasa, pero para la dirección ortogonal, la luz se extingue totalmente.
Para las posiciones intermedias hay paso parcial de luz, cuya intensidad varía según la ley de Malus:
I = Io Cos2(θ).
La birrefringencia cristalina
La luz en el vacío, como toda onda electromagnética, se propaga con una velocidad c de aproximadamente 300.000 km/s. Pero en un medio translúcido su rapidez v es un poco menor. El cociente entre c y v se denomina índice de refracción del medio translúcido.
En algunos cristales, como la calcita, el índice de refracción es diferente para cada componente de polarización. Por este motivo cuando un haz luminoso atraviesa un cristal con birrefringencia, el haz se separa en dos haces con polarización lineal en direcciones ortogonales, como se comprueba con un filtro polarizador-analizador.
Ejemplos de polarización lumínica
La luz reflejada por la superficie del agua del mar o de un lago tiene polarización parcial. La luz del cielo azul, pero no la de las nubes, es parcialmente polarizada.
Algunos insectos como el escarabajo Cetonia aurata refleja luz con polarización circular. La figura inferior muestra este interesante fenómeno, en la que sucesivamente puede observarse la luz reflejada por el escarabajo sin filtros, con un filtro polarizador derecho y luego con un filtro polarizador izquierdo.
Además, se ha colocado un espejo que produce una imagen con un estado de polarización invertido respecto a la de la luz reflejada directamente por el escarabajo.
Aplicaciones de la polarización luminosa
Los filtros polarizadores se utilizan en fotografía para eliminar los destellos que produce la luz reflejada por las superficies reflectantes como el agua.
También se usan para eliminar el resplandor producido por la luz del cielo azul parcialmente polarizada, de esta manera se obtienen fotografías con mejor contraste.
En química, así como en la industria de alimentos, se usa un instrumento llamado polarímetro, que permite medir la concentración de ciertas sustancias que en solución producen una rotación del ángulo de polarización.
Por ejemplo, mediante el paso de luz polarizada y con la ayuda de un polarímetro, puede determinarse rápidamente la concentración de azúcar en jugos y bebidas para verificar que se ajusta a las normas del fabricante y a los controles sanitarios.
Referencias
- Goldstein, D. Luz polarizada. Nueva York: Marcel Dekker, Inc, 2003.
- Jenkins, F. A. 2001. Fundamentos de Óptica. NY: Educación Superior McGraw Hill.
- Saleh, Bahaa E. A. 1991. Fundamentos de la fotónica. Canadá: John Wiley & Sons, 1991.
- Guenther, R D. 1990. Óptica Moderna. John Wiley & Sons Canada.
- Bohren, C.F. 1998. Absorción y dispersión de la luz por partículas pequeñas. Canadá: John Wiley & Sons.
- Wikipedia. Polarización electromagnética. Recuperado de: es.wikipedia.com