Způsoby polarizace

Polarizace odrazem nastává po dopadu přirozeného světla na odrazovou vrstvu. Světlo se polarizuje pouze částečně; úplně polarizované světlo získáme pouze pro Brewsterův úhel dopadu α_B, pro který platí Brewsterův zákon

kde n´ je index lomu prostředí, na něž světlo dopadá a n je index lomu prostředí z něhož světlo postupuje. Velikost Brewsterova úhlu závisí na indexu lomu obou prostředí, na němž se světlo odráží. Index lomu je závislý na vlnové délce, proto je polarizační úhel pro světlo různých vlnových délek různý. Z tohoto důvodu nemůže být přirozené světlo odrazem úplně polarizováno. V tabulce jsou jako příklad udány indexy lomu a příslušné Brewsterovy úhly pro některé látky a pro žluté světlo.

Při polarizaci lomem je světlo polarizováno jen částečně. Polarizační účinek lomu je tím vyšší, čím více lomů za sebou nastane. Zatímco i jediným odrazem lze získat úplně polarizované světlo, lomem se dosáhne vždy jen částečné polarizace a jen opakováním lomu lze polarizaci zlepšovat.

Všechna optická prostředí dělíme na dvě skupiny, izotropní a anizotropní. První skupina obsahuje látky, v nichž se světlo šíří všemi směry stejnou rychlostí. Do druhé skupiny patří látky, u nichž je rychlost šíření světla závislá na směru. Tato vlastnost je způsobena např. nesouměrností struktury jednotlivých částic (např. molekul). Příkladem takové anizotropní látky je islandský vápenec, křemen, rutil, beryl, turmalín, slída, celofán, led, sádrovec atd. U anizotropních látek dochází k dvojlomu světla. Dvojlom u islandského vápence objevil Erasmus Bertholinus v roce 1669 a poprvé teoreticky vysvětlil Christian Huygens a Jean Fresnel v roce 1690. Úplné vysvětlení dává Maxwellova elektromagnetická teorie.

V anizotropních krystalech existuje jeden nebo dva směry, ve kterých dvojlom světla nenastává. Takový směr nazýváme optickou osou krystalu. Podle počtu optických os rozdělujeme dvojlomné krystaly na opticky jednoosé (např. islandský vápenec, křemen) a opticky dvojosé.

Pouze u jednoosých krystalů můžeme pozorovat následující jev. Když dopadá světelný paprsek na krystal islandského vápence, štěpí se na dva paprsky, které postupují různými směry. Nastává dvojlom. Světelný paprsek se na rozhraní s krystalem rozdělí na paprsky dva: paprsek řádný (ordinarius) a paprsek mimořádný (extraordinarius), které se šíří různými směry a různou rychlostí. První paprsek se šíří stejnou rychlostí nezávisle na směru v krystalu, řídí se zákonem lomu, zatímco rychlost šíření mimořádného paprsku závisí na směru. Vzhledem k tomu, že každý z paprsků se šíří jinou rychlostí, odpovídá mu jiný index lomu. Index lomu n_o řádného paprsku je tedy konstantou nezávislou na směru šíření stejně, jako je tomu u izotropních látek, kdežto index lomu n_e mimořádného paprsku závisí na směru šíření. Proto se obvykle určuje index lomu ne mimořádného paprsku pro směr kolmý k optické ose, pro který je tato hodnota nejrozdílnější od indexu lomu řádného paprsku. Následující tabulka uvádí pro ilustraci hodnoty n_o a n_e pro některé krystaly.

Oba paprsky jsou lineárně polarizované, jak v roce 1808 zjistil Étienne Malus.

Anizotropii můžeme vyvolat nebo změnit vnějšími vlivy i u látek původně izotropních. V takovém případě hovoříme o anizotropii umělé. Mezi vnější vlivy patří například tlak, tah, ohyb, zahřívání, elektrické pole apod. Nejznámějšími příklady umělého dvojlomu je fotoelastický jev, který objevil David Brewster v roce 1816. Optická anizotropie je vyvolána vnějším silovým působením a mechanickou deformací původně opticky izotropní látky. Takovou schopnost vykazuje např. obyčejné sklo nebo polymerní polymetylmetakrylát (plexisklo). Mezi další případy patří elektrooptický Kerrův jev z roku 1875 a Cotton–Montonův magnetooptický jev. Pokud použijeme dva krystaly natočené tak, aby jimi paprsky světla neprocházely, umístíme je mezi dvě kovové desky a ty pak připojíme ke zdroji elektrického napětí, dojde k pootočení polarizační roviny druhého krystalu do směru rovnoběžného s polarizační rovinou krystalu prvního a světlo jím projde. Tento jev se označuje jako Kerrův podle svého objevitele Johna Kerra.

Zajímavou dvojlomnou látkou, kterou známe z běžného života a která je velice dobře dostupná, je lepicí páska. Plast, z něhož je vyrobena, je vlivem výrobních procesů dvojlomný s optickou osou orientovanou ve směru pásky. Když budeme izolepu prosvěcovat kolmo (např. LCD displejem, který může být nejdostupnějším zdrojem polarizovaného světla), budou paprsky kolmé i na optickou osu pásky. Při použití jednoho pásku dostaneme při pohledu přes polarizační filtr obraz, jak ukazuje následující obrázek. Změna barvy izolepy je způsobena interferencí polarizovaného světla.

Izolepa prosvícená polarizovaným světlem vlevo bez polarizačního fultru, a s vhodně natočeným polarizačním filtrem (vpravo).
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Zajímavý jev nastane, nalepíme–li na sebe několik vrstev izolepy. V místech, kde je jen jedna vrstva pásky, bude barva stejná jako předtím. V poli, kde je dvojitá vrstva pásky (vznikne dvojnásobný dráhový rozdíl pro interferenci), se bude zesilovat soubor jiných vlnových délek a tomu odpovídající jiná barva. Jestliže izolepy překřížíme (nalepíme kolmo na sebe), pak překřížíme i optické osy jednotlivých vrstev. Proto paprsek, který byl řádný v první vrstvě, se chová ve druhé jako mimořádný, zatímco mimořádný z první vrstvy je ve druhé paprskem řádným. Takže ve druhé vrstvě vznikne mezi paprsky dráhový rozdíl sice stejně velký jako v první, ale opačného znaménka, takže ve výsledku se tyto rozdíly vykompenzují a interference zmizí. Jestliže polarizační filtry zkřížíme, přemění se všechny barvy na doplňkové. Následující obrázky ukazují danou situaci po pootočení polarizačního filtru.

Vrstvy izolepy prosvícené polarizovaným světlem vlevo bez polarizačního fultru, a s vhodně natočeným polarizačním filtrem (uprostřed a vpravo).
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Některé dvojlomné krystaly se vyznačují tím, že jeden z obou paprsku vzniklých dvojlomem pohlcují. Tento jev se nazývá dichroismus (polarizace světla absorpcí), v přírodě se vyskytuje dichroitický krystal turmalín. Krystaly s takovou vlastností mají široké uplatnění v praxi. První vyrobenou látkou tohoto druhu je síran chininojodný, nazývaný herapatit. Polarizační filtry lze z herapatitu vyrobit dvojím způsobem. Buď jako monokrystal ve tvaru destičky nebo jako soustavu koloidních krystalů, jejichž optické osy jsou určitým způsobem orientovány do jednoho směru a fixovány vhodným prostředím, které je nerozpouští. V podstatě všechny dnes průmyslově používané polarizátory využívají pohlcení jednoho z paprsku v uměle vyrobené látce. Tyto polarizátory pak nacházejí uplatnění jako polarizační fólie a filtry.

Polarizace světla nastává i při jeho rozptylu. Jedná se o řadu jevů vyvolaných jednak odrazem světla, jednak jeho ohybem. Při průchodu zkaleným prostředím se světlo na malých částečkách ohýbá i rozptyluje. Tím se stává cesta světelného paprsku viditelná. Rozptýlené světlo je částečně polarizované.