polarizace světla
Úvod
Světlo
Způsoby polarizace
• Chromatická disperze
• Polarizace odrazem
• Polarizace lomem
• Polarizace dvojlomem
• Polarizace absorpcí
• Pozorování polarizace
   s využitím polaroidů
Využití polarizace
Demonstrace
Závěr

Chromatická disperze

Index lomu libovolného hmotného prostředí závisí na vlnové délce světla. Z toho vyplývá, že když se svazek skládá z vln různých vlnových délek, lomí se na rozhraní pod různými úhly. Světlo se tedy lomem rozloží. Tento jev se nazývá disperze, přičemž výraz ,,chromatická“ zdůrazňuje rozklad světla podle jeho vlnové délky, tedy barvy. Na obrázku č. 3.1 je vidět chromatická disperze bílého světla při přechodu ze vzduchu do skla a následně zpět (index lomu vzduchu n1 = 1,000 29 a index lomu optického hranolu n2 = 1,52). Při normální disperzi se s rostoucí frekvencí světla také zvětšuje index lomu, to znamená, že čím větší frekvence, tím vetší úhel lomu. K rozkladu světla byl využit optický hranol – vzniká hranolové spektrum.


Obrázek č. 3.1 Rozklad světla podle vlnové délky

Polarizace odrazem

Polarizace světla odrazem je zpravidla jen částečná a závisí na úhlu dopadu světla. To znamená, že v odraženém světle převládá jeden směr kmitání vektoru (obrázek č. 3. 2). Vektor kmitá převážně kolmo k rovině dopadu. Odražené světlo je úplně polarizované jen při určitém úhlu dopadu, jehož velikost závisí na indexech lomu daných prostředí, na jejichž rozhraní se světlo odráží. Například při odrazu na skle o indexu lomu 1,5 nastává úplná polarizace při úhlu dopadu = 56° (obrázek č. 3. 3). Tento úhel se nazývá Brewsterův nebo polarizační úhel a vychází z Brewsterova zákona

,

který i následně odvodím.

Brewsterův úhel závisí na indexu lomu a index lomu je závislý na vlnové délce, z toho vyplývá, že polarizační úhel je pro světlo různých vlnových délek různý. Z tohoto důvodu nemůže být přirozené světlo odrazem úplně polarizováno.


Obrázek č. 3.2 Polarizace obecným úhlem      Obrázek č. 3.3 Polarizace Brewsterovým úhlem

Odvození Brewsterova zákona pro úplnou polarizaci.
K úplné polarizaci dochází při úhlu dopadu , který se nazývá Brewsterův polarizační úhel. Svírají-li směry odražené a lomené vlny 90°, je možné podle obrázku č. 3.4 psát

, a tedy .

Snellův zákon lomu lze psát ve tvaru

.

Po dosazení dostaneme

,

což lze s využitím vlastností goniometrických funkcí přepsat ve tvaru

.

Poslední úpravou získáme vztah pro závislost Brewsterova úhlu dopadu na indexech lomu uvažovaných prostředí:

.


Obrázek č. 3.4 Částečná polarizace lomem

Polarizace lomem

K částečné polarizaci dochází i při lomu světla (obrázek č. 3.4 Částečná polarizace lomem). Lomem vzniká polarizované světlo, jehož vektor kmitá převážně rovnoběžně s rovinou dopadu. Lepší polarizace lze dosáhnout opakovaným lomem světla při průchodu soustavou skleněných destiček. Při polarizaci lomem nikdy nedochází k úplné polarizaci světla.

Polarizace dvojlomem

Optické látky jsou z hlediska šíření světla izotropní, nebo anizotropní. V izotropním optickém prostředí se světlo šíří všemi směry stejnou rychlostí. Naproti tomu krystaly některých látek jsou z hlediska šíření světla anizotropní. Například islandský vápenec, křemen a další. Anizotropní znamená, že rychlost světla je v různých směrech různá. V těchto materiálech dochází k takzvanému dvojlomu.


Paprsek řádný a mimořádný

Při dopadu nepolarizovaného světelného paprsku se paprsek rozštěpí na dva paprsky: paprsek řádný a paprsek mimořádný, které se obecně šíří různými směry, různou rychlostí a každý z nich je lineárně polarizován.


Paprsek řádný se řídí Snellovým zákonem lomu (má konstantní index lomu). Paprsek mimořádný se Snellovým zákonem lomu řídit nemůže, protože index lomu závisí na směru, v němž se světlo v krystalu šíří.


Druhy krystalů

Můžeme odvodit a je známo i z praxe, že existují dva typy krystalů.

Jednoosý krystal: povoluje v každém směru jeden paprsek řádný s rychlostí závislou na směru a druhý paprsek mimořádný, který má buď rychlost větší (opticky negativní krystal), nebo rychlost menší (opticky aktivní krystal) než paprsek řádný, proto je krystal dvojlomný. Jedním směrem se v krystalu může šířit i nepolarizované světlo a to v optické ose krystalu. Ve všech ostatních směrech se paprsek rozštěpí na paprsek řádný a paprsek mimořádný.

Dvouosý krystal: chová se podobně jako jednoosý krystal s tím rozdílem, že oba paprsky jsou mimořádné. To znamená, že rychlost obou paprsků závisí na směru šíření světla v krystalu. Takový krystal má dvě optické osy, ve kterých jsou rychlosti obou paprsků stejné.



Získání polarizovaného světla

Roviny polarizace těchto dvou paprsků jsou k sobě navzájem kolmé. Pomocí dvojlomu můžeme tedy získat dva úplně polarizované, oddělené a kolmé paprsky. Díky prostorovému oddělení paprsků můžeme jeden paprsek odklonit. Tím získáme jeden paprsek lineárně polarizovaného světla.


                     Obrázek č. 3.5 Polarizace dvojlomem                     Obrázek č. 3.6 Polarizace dvojlomem

Na obrázku č. 3.5 je položen islandský vápenec na text. Text vypadá jakoby zdvojený, což je důkaz dvojlomu. Původní část textu přestavuje paprsek řádný a odchýlená část představuje paprsek mimořádný.

Polarizace absorpcí

V technické praxi se k polarizaci světla používají speciální polarizační filtry. Polarizační filtry, nebo též polaroidy, jsou zhotoveny ze dvou vrstev průhledného plastického materiálu, mezi nimiž je látka s poměrně dlouhými molekulami (například herapatit - směs síranu chininu s kyselinou sírovou, jodovodíkovou a jodem). Při výrobě polaroidu jsou molekuly srovnány technologickým postupem do struktury, ve které jsou podélné osy molekul rovnoběžné.


Obrázek č. 3.7 Polarizační filtry

Při průchodu světla polaroidem se jedna elektrická složka světelného vlnění pohlcuje a část světla, jejíž vektor je na tento směr kolmý, polaroidem prochází. To současně znamená, že při průchodu světla polaroid procházející světlo zeslabuje. Bližší popis polarizace je uveden v kapitole č. 5.1. Příprava a měření lineární polarizace světla


Pozorování polarizace s využitím polaroidů

Polarizátor je název pro zařízení, kterým se přirozené světlo mění na polarizované. Využívá se k polarizaci světla odrazem a lomen nebo dvojlomem. V praxi však polarizované světlo pouhým okem nerozeznáme. K tomu, abychom polarizované světlo rozlišili, popřípadě zjistili orientaci kmitové roviny (rovina, v niž leží polarizovaná světelná vlna), potřebujeme analyzátor.

Analyzátor je tvořen vhodným polarizačním prostředkem, který propouští polarizované světlo jen s určitou orientací kmitové roviny. Na obrázku č. 3.8 je zobrazeno světelné vlnění, které se po průchodu polarizátorem změní na lineárně polarizované vlnění, jehož kmitová rovina je orientována stejně jako štěrbina. Po výstupu z polarizátoru máme tedy lineárně polarizované vlnění, které projde analyzátorem pouze v případě rovnoběžnosti obou štěrbin.


Obrázek č. 3.8 Polarizátor a analyzátor

Jako polarizátor a analyzátor můžeme použít dva polaroidy. Prvním polaroidem necháme procházet přirozené nepolarizované světlo, ze kterého získáme světlo lineárně polarizované. To pak necháme procházet druhým polaroidem ve funkci analyzátoru. Otáčením analyzátoru můžeme pozorovat, že intenzita procházejícího světlo se mění (obrázek č. 3.8).