Polarisatie

Licht

Licht dat door glanzende transparante materialen wordt gereflecteerd, is geheel of gedeeltelijk gepolariseerd, behalve wanneer het licht loodrecht op het oppervlak staat. Polarisatie werd voor het eerst ontdekt in 1808 door de wiskundige Etienne Louis Malus. Met een polarisatiefilter, zoals een polariserende zonnebril, kan dit effect worden waargenomen door het filter te draaien terwijl men door het filter naar de weerkaatsing van een ver horizontaal oppervlak kijkt. Bij bepaalde draaihoeken wordt het gereflecteerde licht verminderd of geëlimineerd. Polarisatiefilters verwijderen licht dat onder een hoek van 90° ten opzichte van de polarisatie-as van het filter is gepolariseerd. Als twee polarisatoren boven elkaar worden geplaatst onder een hoek van 90° ten opzichte van elkaar, kan zeer weinig licht door beide heen.

Polarisatie door verstrooiing wordt waargenomen wanneer licht door de atmosfeer gaat. Het verstrooide licht produceert de helderheid en kleur in een heldere hemel. Deze gedeeltelijke polarisatie van het verstrooide licht kan worden gebruikt om de hemel op foto's donkerder te maken, waardoor het contrast toeneemt. Dit effect is het gemakkelijkst waar te nemen bij zonsondergang, aan de horizon in een hoek van 90° ten opzichte van de ondergaande zon. Een ander gemakkelijk waarneembaar effect is de drastische vermindering van de helderheid van beelden van de hemel en wolken die gereflecteerd worden door horizontale oppervlakken. Daarom worden polarisatiefilters vaak gebruikt in zonnebrillen. Polariserende zonnebrillen laten ook regenboogachtige patronen zien die worden veroorzaakt door kleurafhankelijke birefringerende effecten, bijvoorbeeld in gehard glas (bijvoorbeeld autoruiten) of voorwerpen van transparante kunststoffen. De rol die polarisatie speelt in de werking van vloeibare kristaldisplays (LCD's) is ook vaak zichtbaar voor de drager van polariserende zonnebrillen, die het contrast kunnen verminderen of zelfs het display onleesbaar maken.

Polarisatie filter

Polarisatie van licht is nuttig, nadat het is gefilterd. Een filter scheidt licht met één soort polarisatie van andere soorten. Het meeste daglicht, of licht uit een gloeilamp, heeft een mix van polarisaties (lasers zijn een uitzondering). Het filter werkt als een speelkaart door een kam halen - alleen als de kaart in de juiste richting wordt gedraaid, past hij. Licht dat in een andere richting wordt gedraaid, wordt geblokkeerd door het filter. Liquid crystal displays (LCD's) gebruiken dit om licht te blokkeren om letters of cijfers op een display te maken. Brillen met verschillende polarisatiefilters voor elk oog kunnen licht dat voor het linkeroog en voor het rechteroog bedoeld is, van elkaar scheiden. Dit is een gebruikelijke manier om 3D-films en 3D-televisie te maken.

In de natuur heeft licht dat weerkaatst op een oppervlak soms dezelfde polarisatie - dit wordt 'schittering' genoemd van een raam of water. Een polarisatiefilter op een camera verwijdert deze schittering om door het raam of het water te kunnen kijken (of kan de schittering vergroten, afhankelijk van hoe het filter is gedraaid).

De foto rechts is genomen met een polariserende zonnebril en door de achterruit van een auto. Het licht uit de lucht wordt onder een hoek door de voorruit van de andere auto gereflecteerd, waardoor het grotendeels horizontaal gepolariseerd is. De achterruit is gemaakt van gehard glas. Spanning door warmtebehandeling van het glas verandert de polarisatie van het licht dat erdoorheen gaat, als een golfplaat. Zonder dit effect zou de zonnebril het horizontaal gepolariseerde licht blokkeren dat door de ruit van de andere auto wordt gereflecteerd. De spanning in de achterruit verandert echter een deel van het horizontaal gepolariseerde licht in verticaal gepolariseerd licht dat door de bril kan. Daardoor wordt het regelmatige patroon van de warmtebehandeling zichtbaar.

 
Effect van een polarisator op de reflectie van het wad. In de foto links is de polarisator gedraaid om de reflecties zo goed mogelijk door te laten; door de polarisator 90° te draaien (foto rechts) wordt bijna al het speculair gereflecteerde zonlicht geblokkeerd.  


Het effect van een polarisatiefilter op de lucht in een foto. De foto rechts gebruikt het filter.  


Een polariserende zonnebril onthult spanning in de autoruit (zie tekst voor uitleg).  

Elektromagnetisch

Andere elektromagnetische golven hebben ook polarisatie, maar dat kan op verschillende manieren gebeuren.

Algemene polarisatie: Sommige golven kunnen worden beschreven met het elektrische veld loodrecht op de richting van de golf, en deze worden TE (transversale elektrische) golven genoemd. Bij andere golven staat het magnetisch veld loodrecht op de richting van de golf en deze worden TM-golven (transversale magnetische golven) genoemd. Dit zijn de meest algemene vormen van golfpolarisatie. Ze kunnen ook verticaal of horizontaal gepolariseerde golven worden genoemd. Als zowel het elektrische veld als het magnetische veld loodrecht op de richting van de golf staan, wordt de golf TEM (transversaal elektromagnetisch) genoemd. Lineaire, cirkelvormige en elliptische polarisaties zijn specifieke gevallen van TEM-polarisatie.

Lineaire, cirkelvormige en elliptische polarisaties zijn drie specifieke soorten TEM-polarisatie. Zij kunnen niet dichtbij een antenne worden gemeten. Ver weg van een antenne zijn de velden TEM, dus deze kunnen worden gebruikt. Ze zijn gemakkelijk voor te stellen als je recht naar de golf kijkt.

Lineaire polarisatie

Kijkend langs de richting van de golf is het elektrisch veld een enkele rechte lijn. Als de richting van het elektrische veld constant blijft, zelfs als de grootte of de omvang ervan mag veranderen, wordt de polarisatietoestand lineair genoemd. Dit komt omdat het uiteinde van de elektrische veldvector een rechte lijn trekt in het vlak loodrecht op de voorwaartse richting van de golf. (Vergelijkbaar met het op en neer schudden van een springtouw, waarbij je het touw vanaf één kant bekijkt. Het bewegende touw zal de vorm van een lijn aannemen).

Circulaire polarisatie

In de richting van de golf tekent het elektrisch veld de vorm van een cirkel. Als de grootte van het elektrische veld constant blijft en de richting mag variëren, wordt de polarisatietoestand cirkelvormig genoemd, omdat het uiteinde van het elektrische veld een cirkel vormt in het vlak loodrecht op de voorwaartse richting van de golf. In het bijzonder kan de cirkel met de klok mee of tegen de klok in (als de golf wegreist) worden getekend. (Dit is vergelijkbaar met het rondzwaaien van een springtouw om te springen, het maakt een cirkelvorm).

Elliptische polarisatie

Dit is als de circulaire polarisatie, maar de magnitude verandert als het draait, en vormt een ellips.