5 Tipos De Polarización De La Luz Producidos Dentro Del Campo Electromagnético

La Polarización De La Luz es una rareza que puede producirse en las ondas electromagnéticas, como la luz, por el cual el campo eléctrico oscila sólo en un plano determinado, denominado plano de polarización. Este plano puede definirse por dos vectores, uno de ellos paralelo a la dirección de propagación de la onda y otro perpendicular a esa misma dirección el cual indica la dirección del campo eléctrico.

En una onda de luz no polarizada, al igual que en cualquier otro tipo de onda transversal sin polarizar, el campo eléctrico oscila en todas las direcciones normales a la dirección de propagación de la onda. Las ondas longitudinales, como las ondas sonoras, no pueden ser polarizadas porque su oscilación se produce en la misma dirección que su propagación.

La luz se genera por un dipolo, una carga eléctrica que vibra a cierta frecuencia y por tanto genera un campo eléctrico de variación rápida. Precisamente la de la frecuencia de vibración del dipolo. Este campo implica, a su vez, el correspondiente campo magnético y ambos dan lugar a una onda electromagnética que se propaga siguiendo el vector de Poynting.

Los vectores E y H vibran aleatoriamente en cualquiera de los planos que contienen el vector S porque la vibración del dipolo generador no está restringida. Esto es lo que se conoce como luz natural, para diferenciarla de la luz polarizada en la cual el vector eléctrico vibra en un solo plano, que se denomina plano de polarización. La luz que se propaga en estas condiciones se denomina luz polarizada plana, o linealmente polarizada.

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Los vectores E y H

Un dispositivo experimental consistente en dos polarizadores superpuestos, polarizador y analizador, de forma que un haz de luz los atraviese, y que uno de ellos puede girar respecto del otro, que permanece estático.

La intensidad luminosa transmitida por el sistema variará con el ángulo de giro, de tal manera que pasará por dos puntos de máxima luminosidad separados 180º, con dos puntos de oscuridad total a 90º de los anteriores. Entre estos extremos la intensidad va creciendo y decreciendo paulatinamente, según los casos.

Este fenómeno de polarización solo se da con ondas transversales, pero no con longitudinales, ya que implica una asimetría respecto del eje en la dirección de propagación. Si se demuestra que un haz luminoso puede ser polarizado, llegaremos a la conclusión de que las ondas luminosas son transversales.

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La luz emitida por un manantial está constituida por una serie de trenes de ondas procedentes de átomos distintos; en cada uno de estos trenes de ondas el campo eléctrico oscila en un plano determinado pero, en general, su orientación es distinta de unos a otros.

Dado el enorme número de moléculas y átomos de un manantial luminoso, se comprende el gran número de trenes de ondas que constituye un haz de luz y, por consiguiente, la existencia en éste de ondas polarizadas en todas las direcciones transversales posibles.

manantial luminoso

Índice
  1. 5 Tipos de polarización de luz.
    1. Polarización por reflexión
    2. Polarización por absorción
    3. Polarización por doble refracción
    4. Polarización rotatoria
    5. Ley de Malus

5 Tipos de polarización de luz.

  1. Polarización por reflexión

Sabemos que si sobre una superficie reflectora incide luz natural parte de la luz se refleja y parte se refracta. Malus descubrió en 1808 que si hacemos incidir una luz sobre una superficie pulimentada de vidrio con un ángulo de incidencia i de 57º aproximadamente.

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La luz reflejada está polarizada, siendo el plano de vibración perpendicular al plano de incidencia de los rayos. Si el ángulo de incidencia no es de 57º habrá también polarización pero será menor a medida que el rayo incidente vaya siendo mayor o menor que dicho ángulo.

Cuando la luz se refleja en una superficie plana sufre una polarización parcial en el plano perpendicular al plano de incidencia. Variando de modo continuo el ángulo de incidencia, si se dispone de algún instrumento que permita analizar el grado de polarización de la luz reflejada, se observará que ésta es máxima para cierto ángulo, conocido como ángulo de Brewster.

Más tarde Brewster descubrió que si el rayo reflejado y el refractado forman entre si un ángulo de 90º, el ángulo de incidencia es precisamente el ángulo de polarización. El ángulo de polarización depende del índice de refracción "n" del medio.

Más adelante se justificará este hecho en función del ángulo de incidencia y del índice de refracción de los medios en que ocurre el fenómeno. Este efecto tiene lugar en algunas situaciones cotidianas, como por ejemplo en las puestas o salidas de sol sobre el mar o sobre un lago, que forman superficies reflectantes relativamente planas.

La luz procedente del reflejo sobre el agua está fuertemente polarizada, de modo que si se quiere reducir su intensidad en una fotografía se debe utilizar un filtro polarizador en un ángulo de polarización adecuado, dependiendo del efecto que se quiera producir en la imagen.

Polarización por reflexión

  1. Polarización por absorción

Desde antiguo se conoce la propiedad de algunos minerales que, tallados en la orientación adecuada, son capaces de absorber fuertemente la radiación que vibra en uno de los planos, dejando pasar la otra. De hecho lo que sucede es que, al entrar una onda en cualquier medio anisótropo, se desdobla en dos linealmente polarizadas, las cuales atraviesan en cristal con velocidades y propiedades distintas.

Puede ocurrir que la absorción producida sobre una de ellas sea muy importante respecto de la otra, y que la luz que emerge de la lámina de cristal esté formada de modo casi exclusivo por una de las ondas, que estará linealmente polarizada.

Este hecho se detectó desde hace mucho tiempo en la turmalina, y las llamadas pinzas de turmalina, han sido uno de los artilugios más utilizados para mostrar la polarización de la luz hasta la generalización de las láminas polarizadoras, comercializadas por primera vez por la firma Polaroid, cuyo nombre comercial ha dado lugar a la denominación popular de estas láminas.

Las láminas polarizadoras no son otra cosa que hojas de cierto plástico cuyas propiedades absorbentes de una de las ondas producidas son suficientes como para que, al emerger, prácticamente toda la luz se pueda considerar linealmente polarizada.

El fenómeno es el mismo que en las láminas de turmalina, pero su eficacia es mayor y la absorción total de ambas ondas menor, lo cual las hace útiles como elementos polarizadores para la mayoría de las experiencias rutinarias en óptica: de hecho son los elementos de polarización que incorporan la inmensa mayoría de los microscopios de polarización.

Polarización por absorción

Estas láminas polarizantes tienen un buen rendimiento como tales en la totalidad del espectro visible e infrarojo cercano, pero dejan de ser efectivas en el ultravioleta, para cuyas radiaciones hay que emplear otro tipo de elemento polarizador, como por ejemplo un prisma de Nicol.

La primera lámina polarizadora fue propuesta en 1928 por un estudiante de 19 años del Harvard College llamado Edwin Herbert Land, y consistía en una hoja de plástico que incorporaba diminutos cristalitos aciculares de una substancia altamente dicroica como la turmalina llamada herapathita.

Land denominó a esta lámina hoja polaroid-J, y presentaba el inconveniente de la difusión de la luz producida por los cristalitos. Actualmente los elementos dicroicos incorporados a las láminas son de tamaño molecular, de modo que se evita el problema asociado a la difusión de la luz que las atraviesa.

  1. Polarización por doble refracción

Hay determinados cristales que tienen la propiedad de la doble refracción, es decir, el rayo incidente se desdobla en dos en el interior del cristal, espato de Islandia, uno de ellos llamado ordinario y que sigue las leyes de la refracción y otro llamado extraordinario que no las sigue. Este tipo de cristal permite obtener luz polarizada partiendo de la luz natural, siempre que logremos eliminar a la salida uno de los rayos emergentes.

Esto se puede conseguir con un prisma de Nicol, constituido por un cristal de espato de Islandia al que se le han cortado las caras externas de manera que el ángulo de 71º pase a ser de 68º, después se corta la diagonal, obteniéndose dos prismas que se pegan con bálsamo de Canadá. Una substancia natural transparente de índice de refracción muy cercano a 1.5, aunque actualmente se utiliza resinas sintéticas.

Su índice de refracción está entre el índice de refracción del rayo ordinario y el del extraordinario. En estas condiciones el rayo ordinario sufre reflexión total al llegar a la lámina de bálsamo de Canadá, mientras que el extraordinario se refracta en el bálsamo y se transmite a través del segundo prisma.

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La luz que atraviesa un medio anisótropo se desdobla en dos ondas polarizadas con los planos de polarización mutuamente perpendiculares. Un dispositivo experimental que fuese capaz de eliminar una de las ondas y dejar pasar la otra sería un buen polarizador.

Este dispositivo fue inventado por William Nicol en 1828 a partir de un romboedro de exfoliación de calcita, cuya elevada birrefringencia es de extrema utilidad para estos fines. Consistía en esencia en un romboedro de calcita cortado en dos partes. Unidas mediante bálsamo del Canadá.

elevada birrefringencia

El haz luminoso que entra por uno de los extremos se desdobla en dos haces linealmente polarizados que siguen trayectorias distintas, siguen el camino de los rayos luminosos, uno corresponde a la onda extraordinaria, y otro a la ordinaria. Ambos haces llegan a la superficie de resina,  bajo ángulos de incidencia distintos.

El del ordinario, cuyo índice es superior al de la resina, es superior al ángulo límite y, por tanto, sufre reflexión total y es absorbido por las paredes de la montura del prisma. El otro, de índice muy parecido al de la resina pasa sin desviarse y atraviesa el conjunto del prisma, de modo que a la salida se recoge un haz de luz linealmente polarizada.

La operatividad de este dispositivo se veía limitada por la absorción de la resina en la zona ultravioleta. Desarrollos posteriores, como el prisma de Glan-Foucault, sustituyen la resina por aire, y otros prismas modifican ligeramente la geometría del romboedro de exfoliación para mejorar la apertura numérica del sistema aunque, en esencia, el fenómeno que tiene es el descrito para el prisma de Nicol.

  1. Polarización rotatoria

Es un fenómeno óptico que ocurre en ciertos materiales cristalinos. La dirección de vibraciones de la luz que pasa por tal cristal o a veces líquidos,  se hace girar de modo que varíe en una manera circular. La cantidad de la rotación de polarización depende del grosor del cristal.

La rotación puede estar cualquiera a la derecha o dejada dependiendo, por ejemplo, en el cuarzo en la estructura espiral de oxígeno de silicio unido tetrahedra. La sacarosa y el alcanfor son la d-rotonda mientras que el colesterol es la l-rotonda.

Un prisma de Nicol puede utilizarse como polarizador, ya que al incidir sobre él la luz natural obtenemos a la salida de la misma luz polarizada cuyo plano de vibración es paralelo a la sección principal.

Si este haz de luz polarizada se hace incidir sobre otro prisma de Nicol cuya sección principal sea perpendicular a la del primero, este haz no podrá penetrar en el segundo Nicol ya que vibra en una sección normal, y por lo tanto no habrá salida de luz del segundo Nicol.

En este caso se dice que los Nicols están cruzados, esto se llama polarización cruzada. Variando la posición relativa de las secciones principales de los dos Nicols se logrará mayor o menor luz a la salida, desde el valor máximo, prismas de Nicol paralelos, hasta la anulación completa, prismas de Nicol cruzados.

Polarización rotatoria

  1. Ley de Malus

Es una descripción de la intensidad de la luz polarizada linealmente cuando pasa a través de otro polarizador lineal, llamado analizador. Es una ley bien conocida y tiene aplicaciones para diseñar pantallas planas de cristal líquido, también en cine tridimensional.

Supongamos un dispositivo experimental consistente en dos polarizadores superpuestos, de forma que un haz de luz los atraviese, y que uno de ellos puede girar respecto del otro, que permanece estático.

 La intensidad luminosa transmitida por el sistema variará con el ángulo de giro, de tal manera que pasará por dos puntos de máxima luminosidad separados 180º, con dos puntos de obscuridad total a 90º de los anteriores.

Entre estos extremos la intensidad va creciendo y decreciendo paulatinamente, según los casos. Dibujando la intensidad en un diagrama circular en el que sobre cada radio se sitúa el punto correspondiente a la intensidad relativa, tomando como 100% la longitud del radio se genera una curva.

En la Polarización De La Luz, las características transmitidas por una onda se filtran en una dirección de desplazamiento entre todas las direcciones aleatorias inicialmente posibles. Este fenómeno presenta particular interés en el caso de la luz, donde la polarización del campo electromagnético que se transmite permite aprovechar con fines específicos la energía asociada.

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