Polarización (ondas)

Property of waves that can oscillate with more than one orientation

Polarización circular sobre hilo de goma, convertida en polarización lineal.

La polarización (también polarización ) es una propiedad delas ondas transversalesque especifica la orientación geométrica de lasoscilaciones.^{[1][2][3][4][5]} En una onda transversal, la dirección de la oscilación es perpendicular a la dirección del movimiento de la onda.^[4] Un ejemplo simple de una onda transversal polarizada son las vibraciones que viajan a lo largo de una cuerda tensa(ver imagen); por ejemplo, en un instrumento musical como lacuerda de una guitarra. Dependiendo de cómo se puntee la cuerda, las vibraciones pueden ser en dirección vertical, horizontal o en cualquier ángulo perpendicular a la cuerda. En cambio, enlas ondas longitudinales, comolas ondas sonorasen un líquido o gas, el desplazamiento de las partículas en la oscilación es siempre en la dirección de propagación, por lo que estas ondas no presentan polarización. Las ondas transversales que exhiben polarización incluyenondas electromagnéticascomolas ondas deluzy,ondas gravitacionales,^[6]y ondas sonoras transversales (ondas de corte) en sólidos.

Una onda electromagnética como la luz consta de un campo eléctrico oscilante acoplado y un campo magnético que siempre son perpendiculares entre sí; Por convención, la "polarización" de las ondas electromagnéticas se refiere a la dirección del campo eléctrico. En la polarización lineal , los campos oscilan en una sola dirección. En la polarización circular o elíptica , los campos giran a una velocidad constante en un plano a medida que la onda viaja, ya sea en dirección derecha o izquierda.

La luz u otra radiación electromagnética procedente de muchas fuentes, como el sol, las llamas y las lámparas incandescentes , consiste en trenes de ondas cortas con una mezcla igual de polarizaciones; esto se llama luz no polarizada . La luz polarizada se puede producir haciendo pasar luz no polarizada a través de un polarizador , que permite el paso de ondas de una sola polarización. Los materiales ópticos más comunes no afectan la polarización de la luz, pero algunos materiales (aquellos que exhiben birrefringencia , dicroísmo o actividad óptica ) afectan la luz de manera diferente dependiendo de su polarización. Algunos de estos se utilizan para fabricar filtros polarizadores. La luz también se polariza parcialmente cuando se refleja en un ángulo desde una superficie.

Según la mecánica cuántica , las ondas electromagnéticas también pueden verse como corrientes de partículas llamadas fotones . Visto de esta manera, la polarización de una onda electromagnética está determinada por una propiedad mecánica cuántica de los fotones llamada espín . ^{[7] [8]} Un fotón tiene uno de dos giros posibles: puede girar en el sentido derecho o izquierdo respecto de su dirección de viaje. Las ondas electromagnéticas polarizadas circularmente están compuestas de fotones con un solo tipo de espín, ya sea hacia la derecha o hacia la izquierda. Las ondas polarizadas linealmente consisten en fotones que se encuentran en una superposición de estados polarizados circularmente hacia la derecha e izquierda, con igual amplitud y fases sincronizadas para dar una oscilación en un plano. ^[8]

La polarización es un parámetro importante en áreas de la ciencia que se ocupan de ondas transversales, como la óptica , la sismología , la radio y las microondas . Las tecnologías como los láseres , las telecomunicaciones inalámbricas y de fibra óptica y los radares se ven especialmente afectadas .

Introducción

Propagación de ondas y polarización.

polarizado lineal cruzado

La mayoría de las fuentes de luz se clasifican como incoherentes y no polarizadas (o sólo "parcialmente polarizadas") porque consisten en una mezcla aleatoria de ondas que tienen diferentes características espaciales, frecuencias (longitudes de onda), fases y estados de polarización. Sin embargo, para comprender las ondas electromagnéticas y la polarización en particular, es más fácil considerar simplemente ondas planas coherentes ; Estas son ondas sinusoidales de una dirección (o vector de onda ), frecuencia, fase y estado de polarización particular. La caracterización de un sistema óptico en relación con una onda plana con esos parámetros dados puede usarse para predecir su respuesta a un caso más general, ya que una onda con cualquier estructura espacial especificada puede descomponerse en una combinación de ondas planas (su así llamado espectro angular ). Los estados incoherentes se pueden modelar estocásticamente como una combinación ponderada de ondas no correlacionadas con alguna distribución de frecuencias (su espectro ), fases y polarizaciones.

Ondas electromagnéticas transversales.

Una onda electromagnética "verticalmente polarizada" de longitud de onda λ tiene su vector de campo eléctrico E (rojo) oscilando en la dirección vertical. El campo magnético B (o H ) siempre forma ángulos rectos con él (azul), y ambos son perpendiculares a la dirección de propagación ( z ).

Las ondas electromagnéticas (como la luz), que viajan en el espacio libre u otro medio isotrópico homogéneo no atenuante , se describen adecuadamente como ondas transversales , lo que significa que el vector de campo eléctrico E de una onda plana y el campo magnético H están cada uno en alguna dirección perpendicular a (o "transversal" a) la dirección de propagación de la onda; E y H también son perpendiculares entre sí. Por convención, la dirección de "polarización" de una onda electromagnética viene dada por su vector de campo eléctrico. Considerando una onda plana monocromática de frecuencia óptica f (la luz de longitud de onda del vacío λ tiene una frecuencia de f = c/λ donde c es la velocidad de la luz), tomemos la dirección de propagación como el eje z . Al ser una onda transversal, los campos E y H deben contener componentes solo en las direcciones x e y , mientras que E _z = H _z = 0 . Usando notación compleja (o fasorial ), los campos físicos eléctricos y magnéticos instantáneos están dados por las partes reales de las cantidades complejas que aparecen en las siguientes ecuaciones. En función del tiempo t y la posición espacial z (ya que para una onda plana en la dirección + z los campos no dependen de x o y ), estos campos complejos se pueden escribir como:

$${\displaystyle {\vec {E}}(z,t)={\begin{bmatrix}e_{x}\\e_{y}\\0\end{bmatrix}}\;e^{i2\pi \left({\frac {z}{\lambda }}-{\frac {t}{T}}\right)}={\begin{bmatrix}e_{x}\\e_{y}\\0\end{bmatrix}}\;e^{i(kz-\omega t)}}$$

$${\displaystyle {\vec {H}}(z,t)={\begin{bmatrix}h_{x}\\h_{y}\\0\end{bmatrix}}\;e^{i2\pi \left({\frac {z}{\lambda }}-{\frac {t}{T}}\right)}={\begin{bmatrix}h_{x}\\h_{y}\\0\end{bmatrix}}\;e^{i(kz-\omega t)},}$$

λ = λ ₀ / nen el medioíndice de refracciónnT = 1/ fe _xe _yh _xhy _sonnúmero de onda k = 2π n / λ ₀la frecuencia angularω = 2π fno+zkzk → ∙ r →k →vector de onda

Por lo tanto, los vectores principales e y h contienen cada uno hasta dos componentes distintos de cero (complejos) que describen la amplitud y la fase de los componentes de polarización x e y de la onda (nuevamente, no puede haber un componente de polarización z para una onda transversal en la dirección + z ) . Para un medio dado con una impedancia característica η , h está relacionada con e por:

$${\displaystyle {\begin{aligned}h_{y}&={\frac {e_{x}}{\eta }}\\h_{x}&=-{\frac {e_{y}}{\eta }}.\end{aligned}}}$$

En un dieléctrico, η es real y tiene el valor η ₀ / n , donde n es el índice de refracción y η ₀ es la impedancia del espacio libre . La impedancia será compleja en un medio conductor. Tenga en cuenta que dada esa relación, el producto escalar de E y H debe ser cero:

$${\displaystyle {\begin{aligned}{\vec {E}}\left({\vec {r}},t\right)\cdot {\vec {H}}\left({\vec {r}},t\right)&=e_{x}h_{x}+e_{y}h_{y}+e_{z}h_{z}\\&=e_{x}\left(-{\frac {e_{y}}{\eta }}\right)+e_{y}\left({\frac {e_{x}}{\eta }}\right)+0\cdot 0\\&=0,\end{aligned}}}$$

ortogonales

Conociendo la dirección de propagación ( + z en este caso) y η , también se puede especificar la onda en términos de e _x y e _y que describen el campo eléctrico. El vector que contiene e _x y e _y (pero sin la componente z que es necesariamente cero para una onda transversal) se conoce como vector de Jones . Además de especificar el estado de polarización de la onda, un vector de Jones general también especifica la magnitud y fase generales de esa onda. Específicamente, la intensidad de la onda luminosa es proporcional a la suma de las magnitudes al cuadrado de los dos componentes del campo eléctrico:

$${\displaystyle I=\left(\left|e_{x}\right|^{2}+\left|e_{y}\right|^{2}\right)\,{\frac {1}{2\eta }}}$$

Sin embargo, el estado de polarización de la onda sólo depende de la relación (compleja) de e _y a e _x . Así que consideremos ondas cuyo | e _x | ² + | e _y | ² = 1 ; esto corresponde a una intensidad de aproximadamente0,001 33  W /m ² en el espacio libre (donde η = η ₀ ). Y como la fase absoluta de una onda no es importante al analizar su estado de polarización, estipulemos que la fase de e _x es cero; en otras palabras, e _x es un número real, mientras que e _y puede ser complejo. Bajo estas restricciones, e _x y e _y se pueden representar de la siguiente manera:

$${\displaystyle {\begin{aligned}e_{x}&={\sqrt {\frac {1+Q}{2}}}\\e_{y}&={\sqrt {\frac {1-Q}{2}}}\,e^{i\phi },\end{aligned}}}$$

Q−1 < Q < 1ϕ

Ondas no transversales

Además de las ondas transversales, existen muchos movimientos ondulatorios en los que la oscilación no se limita a direcciones perpendiculares a la dirección de propagación. Estos casos están mucho más allá del alcance del artículo actual que se concentra en ondas transversales (como la mayoría de las ondas electromagnéticas en medios masivos), pero se debe tener en cuenta los casos en los que la polarización de una onda coherente no se puede describir simplemente usando un vector de Jones. como acabamos de hacer.

Simplemente considerando las ondas electromagnéticas, observamos que la discusión anterior se aplica estrictamente a ondas planas en un medio isotrópico homogéneo no atenuante, mientras que en un medio anisotrópico ( como los cristales birrefringentes como se analiza más adelante) el campo eléctrico o magnético puede tener efectos longitudinales y también longitudinales. componentes transversales. En esos casos, el desplazamiento eléctrico D y la densidad de flujo magnético B ^{[ se necesita aclaración ]} todavía obedecen a la geometría anterior pero debido a la anisotropía en la susceptibilidad eléctrica (o en la permeabilidad magnética ), ahora dada por un tensor , la dirección de E (o H ) puede diferir del de D (o B ). Incluso en medios isotrópicos, las llamadas ondas no homogéneas pueden lanzarse a un medio cuyo índice de refracción tenga una parte imaginaria significativa (o " coeficiente de extinción ") como, por ejemplo, los metales; ^{[ se necesita aclaración ]} estos campos tampoco son estrictamente transversales. ^{[9] : 179–184  [10] : 51–52} Las ondas superficiales u ondas que se propagan en una guía de ondas (como una fibra óptica ) generalmente no son ondas transversales, pero podrían describirse como un modo transversal eléctrico o magnético , o un híbrido. modo.

Incluso en el espacio libre se pueden generar componentes de campo longitudinales en zonas focales, donde se rompe la aproximación de onda plana. Un ejemplo extremo es la luz polarizada radial o tangencialmente, en cuyo foco el campo eléctrico o magnético es enteramente longitudinal (a lo largo de la dirección de propagación). ^[11]

En el caso de las ondas longitudinales , como las ondas sonoras en los fluidos , la dirección de oscilación es, por definición, a lo largo de la dirección de viaje, por lo que normalmente ni siquiera se menciona la cuestión de la polarización. Por otro lado, las ondas sonoras en un sólido pueden ser tanto transversales como longitudinales, para un total de tres componentes de polarización. En este caso, la polarización transversal está asociada con la dirección del esfuerzo cortante y el desplazamiento en direcciones perpendiculares a la dirección de propagación, mientras que la polarización longitudinal describe la compresión del sólido y la vibración a lo largo de la dirección de propagación. La propagación diferencial de polarizaciones transversales y longitudinales es importante en sismología .

Estado de polarización

Oscilación del campo eléctrico

La polarización se comprende mejor considerando inicialmente sólo estados de polarización puros y sólo una onda sinusoidal coherente en alguna frecuencia óptica. El vector en el diagrama adyacente podría describir la oscilación del campo eléctrico emitido por un láser monomodo (cuya frecuencia de oscilación sería típicamente entre 10 y ¹⁵ veces más rápida). El campo oscila en el plano xy , a lo largo de la página, con la onda propagándose en la dirección z , perpendicular a la página. Los dos primeros diagramas siguientes trazan el vector del campo eléctrico durante un ciclo completo para polarización lineal en dos orientaciones diferentes; Cada uno de estos se considera un estado distinto de polarización (SOP). Tenga en cuenta que la polarización lineal a 45° también se puede ver como la suma de una onda polarizada linealmente horizontalmente (como en la figura más a la izquierda) y una onda polarizada verticalmente de la misma amplitud en la misma fase .

Animación que muestra cuatro estados de polarización diferentes y tres proyecciones ortogonales.

Una onda polarizada circularmente como suma de dos componentes polarizados linealmente desfasados ​​90°

Ahora bien, si se introdujera un cambio de fase entre esos componentes de polarización horizontal y vertical, generalmente se obtendría una polarización elíptica ^[12] como se muestra en la tercera figura. Cuando el cambio de fase es exactamente ±90°, entonces se produce una polarización circular (figuras cuarta y quinta). Así se crea en la práctica la polarización circular, comenzando con luz polarizada linealmente y empleando una placa de un cuarto de onda para introducir tal cambio de fase. El resultado de dos de estos componentes desfasados ​​al provocar un vector de campo eléctrico giratorio se muestra en la animación de la derecha. Tenga en cuenta que la polarización circular o elíptica puede implicar una rotación del campo en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj. Estos corresponden a distintos estados de polarización, como las dos polarizaciones circulares que se muestran arriba.

Por supuesto, la orientación de los ejes xey utilizados en esta descripción es arbitraria. La elección de dicho sistema de coordenadas y la visualización de la elipse de polarización en términos de las componentes de polarización x e y corresponde a la definición del vector de Jones (a continuación) en términos de esas polarizaciones de base . Normalmente, se elegirían ejes que se adaptaran a un problema particular, como por ejemplo que x esté en el plano de incidencia. Dado que existen coeficientes de reflexión separados para las polarizaciones lineales en el plano de incidencia y ortogonales al mismo ( polarizaciones p y s , ver más abajo), esa elección simplifica enormemente el cálculo de la reflexión de una onda desde una superficie.

Además, se puede utilizar como funciones base cualquier par de estados de polarización ortogonal , no sólo polarizaciones lineales. Por ejemplo, elegir polarizaciones circulares derecha e izquierda como funciones base simplifica la solución de problemas que involucran birrefringencia circular (actividad óptica) o dicroísmo circular.

Elipse de polarización

Considere una onda monocromática puramente polarizada. Si se trazara el vector del campo eléctrico a lo largo de un ciclo de oscilación, generalmente se obtendría una elipse, como se muestra en la figura, correspondiente a un estado particular de polarización elíptica . Tenga en cuenta que la polarización lineal y la polarización circular pueden verse como casos especiales de polarización elíptica.

Luego se puede describir un estado de polarización en relación con los parámetros geométricos de la elipse y su "orientalidad", es decir, si la rotación alrededor de la elipse es en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj. Una parametrización de la figura elíptica especifica el ángulo de orientación ψ , definido como el ángulo entre el eje mayor de la elipse y el eje x ^[13] junto con la elipticidad ε  =  a/b , la relación entre el eje mayor y menor de la elipse. . ^{[14] [15] [16]} (también conocida como relación axial ). El parámetro de elipticidad es una parametrización alternativa de la excentricidad de una elipse o del ángulo de elipticidad , como se muestra en la figura. ^[13] El ángulo χ también es significativo porque la latitud (ángulo desde el ecuador) del estado de polarización representado en la esfera de Poincaré (ver más abajo) es igual a ±2 χ . Los casos especiales de polarización lineal y circular corresponden a una elipticidad ε de infinito y unidad (o χ de cero y 45°) respectivamente. ${\textstyle e={\sqrt {1-b^{2}/a^{2}}},}$ ${\textstyle \chi =\arctan b/a}$ ${\textstyle =\arctan 1/\varepsilon }$

vector de jones

La amplitud y la fase de las oscilaciones en dos componentes del vector del campo eléctrico en el plano de polarización también proporcionan información completa sobre un estado completamente polarizado. Esta representación se utilizó anteriormente para mostrar cómo son posibles diferentes estados de polarización. La información de amplitud y fase se puede representar convenientemente como un vector complejo bidimensional (el vector de Jones ):

${\displaystyle \mathbf {e} ={\begin{bmatrix}a_{1}e^{i\theta _{1}}\\a_{2}e^{i\theta _{2}}\end{bmatrix}}.}$

Aquí y denotamos la amplitud de la onda en los dos componentes del vector del campo eléctrico, mientras que y representan las fases. El producto de un vector de Jones con un número complejo de módulo unitario da un vector de Jones diferente que representa la misma elipse y, por tanto, el mismo estado de polarización. El campo eléctrico físico, como parte real del vector de Jones, se alteraría pero el estado de polarización en sí es independiente de la fase absoluta . Los vectores de base utilizados para representar el vector de Jones no necesitan representar estados de polarización lineal (es decir, ser reales ). En general, se pueden utilizar dos estados ortogonales cualesquiera, donde un par de vectores ortogonales se define formalmente como uno que tiene un producto interno cero . Una opción común son las polarizaciones circulares izquierda y derecha, por ejemplo para modelar la diferente propagación de ondas en dos de estos componentes en medios circularmente birrefringentes (ver más abajo) o trayectorias de señales de detectores coherentes sensibles a la polarización circular. ${\displaystyle a_{1}}$ ${\displaystyle a_{2}}$ ${\displaystyle \theta _{1}}$ ${\displaystyle \theta _{2}}$

marco de coordenadas

Independientemente de si el estado de polarización se representa mediante parámetros geométricos o vectores de Jones, implícita en la parametrización está la orientación del marco de coordenadas. Esto permite un grado de libertad, es decir, una rotación alrededor de la dirección de propagación. Cuando se considera la luz que se propaga paralela a la superficie de la Tierra, a menudo se utilizan los términos polarización "horizontal" y "vertical", estando el primero asociado con el primer componente del vector de Jones, o ángulo de acimut cero. Por otro lado, en astronomía se utiliza generalmente el sistema de coordenadas ecuatoriales , correspondiendo el azimut cero (o ángulo de posición, como se le llama más comúnmente en astronomía para evitar confusiones con el sistema de coordenadas horizontales ) al norte.

designaciones s y p

Vectores electromagnéticos para , y con junto con 3 proyecciones planas y una superficie de deformación del campo eléctrico total. La luz siempre está polarizada en el plano xy. es el ángulo polar de y es el ángulo azimutal de . ${\textstyle {\textbf {E}}}$ ${\textstyle {\textbf {B}}}$ ${\textstyle {\textbf {k}}}$ ${\textstyle {\textbf {E}}={\textbf {E}}(x,y)}$ ${\textstyle \theta }$ ${\textstyle {\textbf {k}}}$ ${\textstyle \varphi _{E}}$ ${\textstyle {\textbf {E}}}$

Otro sistema de coordenadas utilizado frecuentemente se refiere al plano de incidencia . Este es el plano formado por la dirección de propagación entrante y el vector perpendicular al plano de una interfaz, es decir, el plano en el que viaja el rayo antes y después de la reflexión o refracción. La componente del campo eléctrico paralela a este plano se denomina tipo p (paralela) y la componente perpendicular a este plano se denomina tipo s (de senkrecht , perpendicular en alemán). La luz polarizada con su campo eléctrico a lo largo del plano de incidencia se denomina polarizada p , mientras que la luz cuyo campo eléctrico es normal al plano de incidencia se denomina polarizada s . La polarización P se conoce comúnmente como magnética transversal (TM) y también se la denomina polarizada pipolarizada o polarizada en plano tangencial . La polarización S también se llama eléctrica transversal (TE), así como polarizada sigma o polarizada en el plano sagital .

Grado de polarización

El grado de polarización ( DOP ) es una cantidad utilizada para describir la porción de una onda electromagnética que está polarizada. El DOP se puede calcular a partir de los parámetros de Stokes . Una onda perfectamente polarizada tiene una DOP del 100%, mientras que una onda no polarizada tiene una DOP del 0%. Una onda que está parcialmente polarizada y, por lo tanto, puede representarse mediante una superposición de un componente polarizado y no polarizado, tendrá un DOP entre 0 y 100%. El DOP se calcula como la fracción de la potencia total transportada por el componente polarizado de la onda.

El DOP se puede utilizar para mapear el campo de deformación en materiales al considerar el DOP de la fotoluminiscencia . La polarización de la fotoluminiscencia está relacionada con la deformación de un material mediante el tensor de fotoelasticidad del material dado .

El DOP también se visualiza utilizando la representación de la esfera de Poincaré de un haz polarizado. En esta representación, DOP es igual a la longitud del vector medida desde el centro de la esfera.

Luz no polarizada y parcialmente polarizada.

La luz no polarizada es luz con una polarización aleatoria que varía en el tiempo . La luz natural, como la mayoría de las otras fuentes comunes de luz visible, es producida de forma independiente por una gran cantidad de átomos o moléculas cuyas emisiones no están correlacionadas .

La luz no polarizada se puede producir a partir de la combinación incoherente de luz polarizada linealmente vertical y horizontal , o luz polarizada circularmente hacia derecha e izquierda . ^[17] Por el contrario, los dos estados polarizados linealmente constituyentes de la luz no polarizada no pueden formar un patrón de interferencia , incluso si se giran para alinearse ( tercera ley de Fresnel-Arago ). ^[18]

El llamado despolarizador actúa sobre un haz polarizado para crear uno en el que la polarización varía tan rápidamente a lo largo del haz que puede ignorarse en las aplicaciones previstas. Por el contrario, un polarizador actúa sobre un haz no polarizado o un haz polarizado arbitrariamente para crear uno polarizado.

La luz no polarizada se puede describir como una mezcla de dos corrientes independientes polarizadas de manera opuesta, cada una con la mitad de intensidad. ^{[19] [20]} Se dice que la luz está parcialmente polarizada cuando hay más potencia en una de estas corrientes que en la otra. En cualquier longitud de onda particular, la luz parcialmente polarizada puede describirse estadísticamente como la superposición de un componente completamente no polarizado y uno completamente polarizado. ^{[21] : 346–347  [22] : 330} Entonces se puede describir la luz en términos del grado de polarización y los parámetros del componente polarizado. Ese componente polarizado se puede describir en términos de un vector de Jones o una elipse de polarización. Sin embargo, para describir también el grado de polarización, normalmente se emplean parámetros de Stokes para especificar un estado de polarización parcial. ^{[21] : 351, 374–375}

Implicaciones para la reflexión y la propagación.

Polarización en la propagación de ondas.

En el vacío , las componentes del campo eléctrico se propagan a la velocidad de la luz , de modo que la fase de la onda varía en el espacio y el tiempo mientras que el estado de polarización no. Es decir, el vector de campo eléctrico e de una onda plana en la dirección + z es el siguiente:

${\displaystyle \mathbf {e} (z+\Delta z,t+\Delta t)=\mathbf {e} (z,t)e^{ik(c\Delta t-\Delta z)},}$

donde k es el número de onda . Como se señaló anteriormente, el campo eléctrico instantáneo es la parte real del producto del vector de Jones por el factor de fase . Cuando una onda electromagnética interactúa con la materia, su propagación se altera según el índice de refracción (complejo) del material . Cuando la parte real o imaginaria de ese índice de refracción depende del estado de polarización de una onda, propiedades conocidas como birrefringencia y dicroísmo de polarización (o diatenuación ) respectivamente, entonces el estado de polarización de una onda generalmente se verá alterado. ${\displaystyle e^{-i\omega t}}$

En tales medios, una onda electromagnética con cualquier estado de polarización dado puede descomponerse en dos componentes polarizados ortogonalmente que encuentran diferentes constantes de propagación . El efecto de la propagación a lo largo de una trayectoria determinada sobre esos dos componentes se caracteriza más fácilmente en la forma de una matriz de transformación J compleja de 2×2 conocida como matriz de Jones :

${\displaystyle \mathbf {e'} =\mathbf {J} \mathbf {e} .}$

La matriz de Jones debida al paso a través de un material transparente depende de la distancia de propagación y de la birrefringencia. La birrefringencia (así como el índice de refracción medio) generalmente será dispersiva , es decir, variará en función de la frecuencia óptica (longitud de onda). Sin embargo, en el caso de materiales no birrefringentes, la matriz de Jones 2×2 es la matriz identidad (multiplicada por un factor de fase escalar y un factor de atenuación), lo que no implica ningún cambio en la polarización durante la propagación.

Para efectos de propagación en dos modos ortogonales, la matriz de Jones se puede escribir como

${\displaystyle \mathbf {J} =\mathbf {T} {\begin{bmatrix}g_{1}&0\\0&g_{2}\end{bmatrix}}\mathbf {T} ^{-1},}$

donde g ₁ y g ₂ son números complejos que describen el retardo de fase y posiblemente la atenuación de amplitud debida a la propagación en cada uno de los dos modos propios de polarización. T es una matriz unitaria que representa un cambio de base desde estos modos de propagación al sistema lineal utilizado para los vectores de Jones; en el caso de birrefringencia lineal o diatenuación, los modos son en sí mismos estados de polarización lineal, por lo que T y T ⁻¹ pueden omitirse si los ejes de coordenadas se han elegido adecuadamente.

Birrefringencia

En una sustancia birrefringente , ondas electromagnéticas de diferentes polarizaciones viajan a diferentes velocidades ( velocidades de fase ). Como resultado, cuando ondas no polarizadas viajan a través de una placa de material birrefringente, un componente de polarización tiene una longitud de onda más corta que el otro, lo que resulta en una diferencia de fase entre los componentes que aumenta cuanto más viajan las ondas a través del material. La matriz de Jones es una matriz unitaria : | gramo ₁ | = | gramo ₂ | = 1. Los medios denominados diatenuantes (o dicroicos en el sentido de polarización), en los que sólo las amplitudes de las dos polarizaciones se ven afectadas de manera diferencial, pueden describirse utilizando una matriz hermitiana (generalmente multiplicada por un factor de fase común). De hecho, dado que cualquier matriz puede escribirse como el producto de matrices hermitianas unitarias y positivas, la propagación de la luz a través de cualquier secuencia de componentes ópticos dependientes de la polarización puede escribirse como el producto de estos dos tipos básicos de transformaciones.

"Patrón de color de una caja de plástico que muestra birrefringencia inducida por tensión cuando se coloca entre dos polarizadores cruzados ".

En medios birrefringentes no hay atenuación, pero dos modos acumulan un retraso de fase diferencial. Manifestaciones bien conocidas de birrefringencia lineal (es decir, en las que las polarizaciones base son polarizaciones lineales ortogonales) aparecen en placas /retardadores de ondas ópticas y en muchos cristales. Si la luz linealmente polarizada pasa a través de un material birrefringente, su estado de polarización generalmente cambiará, a menos que su dirección de polarización sea idéntica a una de esas polarizaciones básicas. Dado que el cambio de fase y, por tanto, el cambio de estado de polarización suele depender de la longitud de onda, estos objetos vistos bajo luz blanca entre dos polarizadores pueden dar lugar a efectos coloridos, como se ve en la fotografía adjunta.

También se denomina birrefringencia circular, actividad óptica , especialmente en fluidos quirales , o rotación de Faraday , cuando se debe a la presencia de un campo magnético a lo largo de la dirección de propagación. Cuando la luz linealmente polarizada pasa a través de un objeto de este tipo, saldrá todavía linealmente polarizada, pero con el eje de polarización girado. Una combinación de birrefringencia lineal y circular tendrá como polarizaciones base dos polarizaciones elípticas ortogonales; sin embargo, el término "birrefringencia elíptica" rara vez se utiliza.

Caminos seguidos por vectores en la esfera de Poincaré bajo birrefringencia. Los modos de propagación (ejes de rotación) se muestran con líneas rojas, azules y amarillas, los vectores iniciales con líneas negras gruesas y las trayectorias que toman con elipses de colores (que representan círculos en tres dimensiones).

Se puede visualizar el caso de birrefringencia lineal (con dos modos de propagación lineal ortogonal) con una onda entrante linealmente polarizada en un ángulo de 45° con respecto a esos modos. A medida que comienza a acumularse una fase diferencial, la polarización se vuelve elíptica, cambiando finalmente a una polarización puramente circular (diferencia de fase de 90°), luego a una polarización elíptica y finalmente lineal (fase de 180°) perpendicular a la polarización original, y luego a una polarización circular nuevamente (270°). ° fase), luego elíptico con el ángulo de acimut original, y finalmente de regreso al estado linealmente polarizado original (fase de 360°) donde el ciclo comienza de nuevo. En general, la situación es más complicada y puede caracterizarse como una rotación en la esfera de Poincaré alrededor del eje definido por los modos de propagación. En la figura de la izquierda se muestran ejemplos de birrefringencia lineal (azul), circular (roja) y elíptica (amarilla) . La intensidad total y el grado de polarización no se ven afectados. Si la longitud del camino en el medio birrefringente es suficiente, los dos componentes de polarización de un haz (o rayo ) colimado pueden salir del material con un desplazamiento posicional, aunque sus direcciones de propagación finales serán las mismas (asumiendo que la cara de entrada y la cara de salida son paralelos). Esto se ve comúnmente usando cristales de calcita , que presentan al espectador dos imágenes ligeramente desplazadas, en polarizaciones opuestas, de un objeto detrás del cristal. Fue este efecto el que proporcionó el primer descubrimiento de la polarización, por Erasmo Bartolino en 1669.

dicroísmo

Los medios en los que la transmisión de un modo de polarización se reduce preferentemente se denominan dicroicos o diatenuantes . Al igual que la birrefringencia, la diatenuación puede realizarse con respecto a modos de polarización lineal (en un cristal) o modos de polarización circular (generalmente en un líquido).

Los dispositivos que bloquean casi toda la radiación en un modo se conocen como filtros polarizadores o simplemente " polarizadores ". Esto corresponde a g ₂ =0 en la representación anterior de la matriz de Jones. La salida de un polarizador ideal es un estado de polarización específico (generalmente polarización lineal) con una amplitud igual a la amplitud original de la onda de entrada en ese modo de polarización. Se elimina la energía en el otro modo de polarización. Así, si luz no polarizada pasa a través de un polarizador ideal (donde g ₁ = 1 y g ₂ = 0), se retiene exactamente la mitad de su potencia inicial. Los polarizadores prácticos, especialmente los polarizadores de láminas económicos, tienen pérdidas adicionales de modo que g ₁ < 1. Sin embargo, en muchos casos la cifra de mérito más relevante es el grado de polarización o relación de extinción del polarizador , que implica una comparación de g ₁ con g ₂ . Dado que los vectores de Jones se refieren a amplitudes de ondas (en lugar de intensidad ), cuando se iluminan con luz no polarizada, la potencia restante en la polarización no deseada será ( g ₂ / g ₁ ) ² de la potencia en la polarización deseada.

Reflexión especular

Además de la birrefringencia y el dicroísmo en medios extendidos, los efectos de polarización que se pueden describir utilizando matrices de Jones también pueden ocurrir en la interfaz (reflectante) entre dos materiales de diferente índice de refracción . Estos efectos son tratados mediante las ecuaciones de Fresnel . Parte de la onda se transmite y parte se refleja; para un material dado, esas proporciones (y también la fase de reflexión) dependen del ángulo de incidencia y son diferentes para las polarizaciones s y p . Por lo tanto, el estado de polarización de la luz reflejada (incluso si inicialmente no está polarizada) generalmente cambia.

Una pila de placas en el ángulo de Brewster con respecto a un haz refleja una fracción de la luz polarizada s en cada superficie, dejando (después de muchas placas de este tipo) un haz principalmente polarizado p .

Cualquier luz que incida sobre una superficie en un ángulo de incidencia especial conocido como ángulo de Brewster , donde el coeficiente de reflexión para la polarización p es cero, se reflejará quedando sólo la polarización s . Este principio se emplea en el llamado "polarizador de pila de placas" (ver figura) en el que parte de la polarización s se elimina por reflexión en cada superficie del ángulo de Brewster, dejando solo la polarización p después de la transmisión a través de muchas de esas superficies. El coeficiente de reflexión generalmente más pequeño de la polarización p es también la base de las gafas de sol polarizadas ; al bloquear la polarización s (horizontal), se elimina la mayor parte del resplandor debido al reflejo de una calle mojada, por ejemplo. ^{[23] : 348–350}

En el importante caso especial de reflexión en incidencia normal (que no involucra materiales anisotrópicos) no existe una polarización s o p particular . Tanto los componentes de polarización x como y se reflejan de manera idéntica y, por lo tanto, la polarización de la onda reflejada es idéntica a la de la onda incidente. Sin embargo, en el caso de la polarización circular (o elíptica), la orientación lateral del estado de polarización se invierte, ya que por convención esto se especifica en relación con la dirección de propagación. La rotación circular del campo eléctrico alrededor de los ejes xy se denomina "derecha" para una onda en la dirección +z y "zurda" para una onda en la dirección -z . Pero en el caso general de la reflexión con un ángulo de incidencia distinto de cero, no se puede hacer tal generalización. Por ejemplo, la luz polarizada circularmente a la derecha reflejada desde una superficie dieléctrica en un ángulo rasante seguirá estando polarizada a la derecha (pero elípticamente). La luz polarizada lineal reflejada por un metal con una incidencia anormal generalmente se polarizará elípticamente. Estos casos se manejan utilizando vectores de Jones sobre los que actúan los diferentes coeficientes de Fresnel para los componentes de polarización s y p .

Técnicas de medición que implican polarización.

Algunas técnicas de medición óptica se basan en la polarización. En muchas otras técnicas ópticas la polarización es crucial o al menos debe tenerse en cuenta y controlarse; tales ejemplos son demasiado numerosos para mencionarlos.

Medición del estrés

Estrés en vasos de plástico

En ingeniería , el fenómeno de la birrefringencia inducida por tensiones permite observar fácilmente las tensiones en materiales transparentes. Como se señaló anteriormente y se ve en la fotografía adjunta, la cromaticidad de la birrefringencia generalmente crea patrones de colores cuando se observa entre dos polarizadores. A medida que se aplican fuerzas externas, se observa tensión interna inducida en el material. Además, con frecuencia se observa birrefringencia debido a tensiones "congeladas" en el momento de la fabricación. Esto se observa en la cinta de celofán , cuya birrefringencia se debe al estiramiento del material durante el proceso de fabricación.

Elipsometría

La elipsometría es una técnica poderosa para medir las propiedades ópticas de una superficie uniforme. Implica medir el estado de polarización de la luz tras la reflexión especular de dicha superficie. Esto normalmente se hace en función del ángulo de incidencia o la longitud de onda (o ambos). Dado que la elipsometría se basa en la reflexión, no es necesario que la muestra sea transparente a la luz ni que su parte posterior sea accesible.

La elipsometría se puede utilizar para modelar el índice de refracción (complejo) de una superficie de un material a granel. También es muy útil para determinar los parámetros de una o más capas de película delgada depositadas sobre un sustrato. Debido a sus propiedades de reflexión , no solo se predice la magnitud de los componentes de polarización p y s , sino también sus cambios de fase relativos tras la reflexión, en comparación con las mediciones que utilizan un elipsómetro. Un elipsómetro normal no mide el coeficiente de reflexión real (lo que requiere una cuidadosa calibración fotométrica del haz de iluminación), sino la relación de las reflexiones p y s , así como el cambio de elipticidad de polarización (de ahí el nombre) inducido tras la reflexión de la superficie que se está analizando. estudió. Además de su uso en ciencia e investigación, los elipsómetros se utilizan in situ para controlar procesos de producción, por ejemplo. ^{[24] : 585 y siguientes  [25] : 632}

Geología

Microfotografía de un grano de arena volcánica ; La imagen superior es luz polarizada plana, la imagen inferior es luz polarizada cruzada, el cuadro de escala en el centro izquierdo es de 0,25 milímetros.

La propiedad de la birrefringencia (lineal) está muy extendida en los minerales cristalinos y, de hecho, fue fundamental en el descubrimiento inicial de la polarización. En mineralogía , esta propiedad se explota frecuentemente mediante microscopios de polarización , con el fin de identificar minerales. Consulte mineralogía óptica para más detalles. ^{[26] : 163–164}

Las ondas sonoras en materiales sólidos exhiben polarización. La propagación diferencial de las tres polarizaciones a través de la Tierra es crucial en el campo de la sismología . Las ondas sísmicas polarizadas horizontal y verticalmente ( ondas de corte ) se denominan SH y SV, mientras que las ondas con polarización longitudinal ( ondas de compresión ) se denominan ondas P. ^{[27] : 48–50  [28] : 56–57}

Química

Hemos visto (arriba) que la birrefringencia de un tipo de cristal es útil para identificarlo y, por tanto, la detección de la birrefringencia lineal es especialmente útil en geología y mineralogía . La luz linealmente polarizada generalmente tiene su estado de polarización alterado al transmitirse a través de dicho cristal, lo que la hace resaltar cuando se ve entre dos polarizadores cruzados, como se ve en la fotografía de arriba. Asimismo, en química, la rotación de los ejes de polarización en una solución líquida puede ser una medida útil. En un líquido, la birrefringencia lineal es imposible, pero puede haber birrefringencia circular cuando una molécula quiral está en solución. Cuando los enantiómeros derechos e izquierdos de dicha molécula están presentes en números iguales (la llamada mezcla racémica ), sus efectos se anulan. Sin embargo, cuando hay solo una (o preponderancia de una), como suele ser el caso de las moléculas orgánicas , se observa una birrefringencia circular neta (o actividad óptica ), que revela la magnitud de ese desequilibrio (o la concentración de la molécula). sí mismo, cuando se puede suponer que sólo está presente un enantiómero). Esto se mide utilizando un polarímetro en el que la luz polarizada pasa a través de un tubo de líquido, en cuyo extremo hay otro polarizador que se gira para anular la transmisión de luz a través de él. ^{[23] : 360–365  [29]}

Astronomía

En muchas áreas de la astronomía , el estudio de la radiación electromagnética polarizada procedente del espacio exterior es de gran importancia. Aunque no suele ser un factor en la radiación térmica de las estrellas , la polarización también está presente en la radiación de fuentes astronómicas coherentes (por ejemplo, máseres de hidroxilo o metanol ) y en fuentes incoherentes como los grandes radiolóbulos de las galaxias activas y la radiación de radio púlsar (que puede , se especula, a veces es coherente), y también se impone a la luz de las estrellas al dispersarse desde el polvo interestelar . Además de proporcionar información sobre las fuentes de radiación y dispersión, la polarización también explora el campo magnético interestelar mediante la rotación de Faraday . ^{[30] : 119, 124  [31] : 336–337} La polarización del fondo cósmico de microondas se está utilizando para estudiar la física del universo primitivo. ^{[32] [33]} La radiación sincrotrón está inherentemente polarizada. Se ha sugerido que fuentes astronómicas causaron la quiralidad de las moléculas biológicas en la Tierra. ^[34]

Aplicaciones y ejemplos

Gafas de sol polarizadas

Efecto de un polarizador sobre la reflexión de las marismas. En la imagen de la izquierda, el polarizador orientado horizontalmente transmite preferentemente esos reflejos; Al girar el polarizador 90° (derecha), como se vería con gafas de sol polarizadas, se bloquea casi toda la luz solar reflejada especularmente .

Se puede comprobar si las gafas de sol están polarizadas mirando a través de dos pares, uno perpendicular al otro. Si ambos están polarizados, toda la luz quedará bloqueada.

La luz no polarizada, después de ser reflejada por una superficie especular (brillante), generalmente obtiene cierto grado de polarización. Este fenómeno fue observado a principios del siglo XIX por el matemático Étienne-Louis Malus , que da nombre a la ley de Malus . Las gafas de sol polarizadas aprovechan este efecto para reducir el deslumbramiento causado por los reflejos de las superficies horizontales, en particular la carretera vista en un ángulo rasante.

Los usuarios de gafas de sol polarizadas observarán ocasionalmente efectos de polarización inadvertidos, como efectos birrefringentes dependientes del color, por ejemplo en vidrios templados (p. ej., ventanillas de automóviles) o en objetos fabricados de plásticos transparentes , junto con una polarización natural por reflexión o dispersión. La luz polarizada de los monitores LCD (ver más abajo) es extremadamente llamativa cuando se usan.

Polarización del cielo y fotografía.

Los efectos de un filtro polarizador (imagen derecha) en el cielo de una fotografía.

La polarización se observa en la luz del cielo , ya que ésta se debe a la luz solar dispersada por los aerosoles a su paso por la atmósfera terrestre . La luz dispersa produce brillo y color en cielos despejados. Esta polarización parcial de la luz dispersada se puede utilizar para oscurecer el cielo en fotografías, aumentando el contraste. Este efecto se observa con mayor intensidad en puntos del cielo que forman un ángulo de 90° con respecto al Sol. Los filtros polarizadores utilizan estos efectos para optimizar los resultados de fotografiar escenas en las que interviene el reflejo o la dispersión del cielo. ^{[23] : 346–347  [35] : 495–499}

Franjas de colores en la piscina del cielo de Embassy Gardens cuando se ven a través de un polarizador, debido a la birrefringencia inducida por el estrés en el tragaluz

La polarización del cielo se ha utilizado para orientarse en la navegación. La brújula celeste de Pfund se utilizó en la década de 1950 para navegar cerca de los polos del campo magnético de la Tierra cuando ni el sol ni las estrellas eran visibles (por ejemplo, bajo las nubes durante el día o en el crepúsculo ). Se ha sugerido, de manera controvertida, que los vikingos explotaron un dispositivo similar (la " piedra solar ") en sus extensas expediciones a través del Atlántico Norte entre los siglos IX y XI, antes de la llegada de la brújula magnética de Asia a Europa en el siglo XII. . Relacionado con la brújula celeste está el " reloj polar ", inventado por Charles Wheatstone a finales del siglo XIX. ^{[36] : 67–69}

Tecnologías de visualización

El principio de la tecnología de pantalla de cristal líquido (LCD) se basa en la rotación del eje de polarización lineal mediante la matriz de cristal líquido. La luz de la luz de fondo (o la capa reflectante trasera, en dispositivos que no incluyen o requieren luz de fondo) pasa primero a través de una lámina polarizadora lineal. Esa luz polarizada pasa a través de la capa de cristal líquido real, que puede estar organizada en píxeles (para un televisor o monitor de computadora) o en otro formato, como una pantalla de siete segmentos o una con símbolos personalizados para un producto en particular. La capa de cristal líquido se produce con una quiralidad consistente hacia la derecha (o izquierda), y consiste esencialmente en pequeñas hélices . Esto provoca una birrefringencia circular y está diseñado para que haya una rotación de 90 grados del estado de polarización lineal. Sin embargo, cuando se aplica un voltaje a través de una celda, las moléculas se enderezan, disminuyendo o perdiendo totalmente la birrefringencia circular. En el lado de visualización de la pantalla hay otra lámina polarizadora lineal, generalmente orientada a 90 grados respecto a la que está detrás de la capa activa. Por lo tanto, cuando se elimina la birrefringencia circular mediante la aplicación de un voltaje suficiente, la polarización de la luz transmitida permanece en ángulo recto con respecto al polarizador frontal y el píxel aparece oscuro. Sin embargo, sin voltaje, la rotación de 90 grados de la polarización hace que coincida exactamente con el eje del polarizador frontal, permitiendo que la luz pase. Los voltajes intermedios crean una rotación intermedia del eje de polarización y el píxel tiene una intensidad intermedia. Las pantallas basadas en este principio están muy extendidas y ahora se utilizan en la gran mayoría de televisores, monitores de ordenador y proyectores de vídeo, lo que hace que la anterior tecnología CRT quede prácticamente obsoleta. El uso de la polarización en el funcionamiento de las pantallas LCD resulta inmediatamente evidente para alguien que lleva gafas de sol polarizadas, lo que a menudo hace que la pantalla sea ilegible.

En un sentido totalmente diferente, la codificación de polarización se ha convertido en el método principal (pero no el único) para entregar imágenes separadas al ojo izquierdo y derecho en pantallas estereoscópicas utilizadas para películas en 3D . Se trata de imágenes separadas destinadas a cada ojo, ya sea proyectadas desde dos proyectores diferentes con filtros polarizadores orientados ortogonalmente o, más típicamente, desde un solo proyector con polarización multiplexada en el tiempo (un dispositivo de polarización alterna rápida para fotogramas sucesivos). Las gafas 3D polarizadas con filtros polarizadores adecuados garantizan que cada ojo reciba sólo la imagen deseada. Históricamente, estos sistemas utilizaban codificación de polarización lineal porque era económica y ofrecía una buena separación. Sin embargo, la polarización circular hace que la separación de las dos imágenes sea insensible a la inclinación de la cabeza y hoy en día se utiliza ampliamente en la exhibición de películas en 3D, como el sistema de RealD . Proyectar este tipo de imágenes requiere pantallas que mantengan la polarización de la luz proyectada cuando se ve reflejada (como las pantallas plateadas ); Una pantalla de proyección blanca difusa normal provoca la despolarización de las imágenes proyectadas, lo que la hace inadecuada para esta aplicación.

Aunque ahora son obsoletas, las pantallas de computadora CRT sufrían reflejos en la envoltura de vidrio, lo que provocaba el deslumbramiento de las luces de la habitación y, en consecuencia, un contraste deficiente. Se emplearon varias soluciones antirreflectantes para mejorar este problema. Una solución utilizó el principio de reflexión de la luz polarizada circularmente. Un filtro polarizador circular frente a la pantalla permite la transmisión de (digamos) solo luz ambiental polarizada circularmente hacia la derecha. Ahora, la luz polarizada circularmente a la derecha (según la convención utilizada) tiene la dirección de su campo eléctrico (y magnético) girando en el sentido de las agujas del reloj mientras se propaga en la dirección +z. Tras la reflexión, el campo todavía tiene la misma dirección de rotación, pero ahora la propagación es en la dirección −z, lo que hace que la onda reflejada se polarice circularmente hacia la izquierda . Con el filtro de polarización circular derecho colocado frente al vidrio reflectante, la luz no deseada reflejada por el vidrio estará en un estado de polarización muy bloqueado por ese filtro, eliminando el problema de reflexión. La inversión de la polarización circular en la reflexión y la eliminación de los reflejos de esta manera se puede observar fácilmente mirándose en un espejo mientras se usan gafas para películas 3D que emplean polarización circular hacia la izquierda y hacia la derecha en las dos lentes. Al cerrar un ojo, el otro verá un reflejo en el que no puede verse a sí mismo; esa lente parece negra. Sin embargo, la otra lente (la del ojo cerrado) tendrá la polarización circular correcta permitiendo que el ojo cerrado pueda ver fácilmente el ojo abierto.

Transmisión y recepción de radio.

Todas las antenas de radio (y microondas) utilizadas para transmitir o recibir están intrínsecamente polarizadas. Transmiten (o reciben señales de) una polarización particular, siendo totalmente insensibles a la polarización opuesta; en ciertos casos esa polarización es función de la dirección. La mayoría de las antenas están nominalmente polarizadas linealmente, pero la polarización elíptica y circular es una posibilidad. Como es convencional en óptica, se entiende por "polarización" de una onda de radio la polarización de su campo eléctrico, estando el campo magnético en una rotación de 90 grados con respecto a él para una onda polarizada linealmente.

La gran mayoría de antenas están polarizadas linealmente. De hecho, se puede demostrar por consideraciones de simetría que una antena que se encuentra enteramente en un plano que también incluye al observador, sólo puede tener su polarización en la dirección de ese plano. Esto se aplica a muchos casos, lo que permite inferir fácilmente la polarización de dicha antena en una dirección de propagación prevista. Por lo tanto, una típica antena Yagi o logarítmica de tejado con conductores horizontales, vista desde una segunda estación hacia el horizonte, está necesariamente polarizada horizontalmente. Pero una " antena de látigo " vertical o una torre de transmisión de AM utilizada como elemento de antena (nuevamente, para los observadores desplazados horizontalmente de ella) transmitirá en polarización vertical. Una antena torniquete con sus cuatro brazos en el plano horizontal, también transmite radiación polarizada horizontalmente hacia el horizonte. Sin embargo, cuando esa misma antena de torniquete se utiliza en el "modo axial" (hacia arriba, para la misma estructura orientada horizontalmente), su radiación está polarizada circularmente. En elevaciones intermedias está polarizado elípticamente.

La polarización es importante en las comunicaciones por radio porque, por ejemplo, si uno intenta utilizar una antena polarizada horizontalmente para recibir una transmisión polarizada verticalmente, la intensidad de la señal se reducirá sustancialmente (o, en condiciones muy controladas, se reducirá a nada). Este principio se utiliza en la televisión por satélite para duplicar la capacidad del canal en una banda de frecuencia fija. El mismo canal de frecuencia se puede utilizar para dos señales transmitidas con polarizaciones opuestas. Ajustando la antena receptora para una u otra polarización, se puede seleccionar cualquiera de las señales sin interferencias de la otra.

Especialmente debido a la presencia del suelo , existen algunas diferencias en la propagación (y también en los reflejos responsables del efecto fantasma de la televisión ) entre las polarizaciones horizontal y vertical. Las transmisiones de radio AM y FM generalmente usan polarización vertical, mientras que la televisión usa polarización horizontal. Especialmente en bajas frecuencias se evita la polarización horizontal. Esto se debe a que la fase de una onda polarizada horizontalmente se invierte al reflejarse en el suelo. Una estación distante en dirección horizontal recibirá tanto la onda directa como la reflejada, que por lo tanto tienden a cancelarse entre sí. Este problema se evita con la polarización vertical. La polarización también es importante en la transmisión de impulsos de radar y la recepción de reflejos de radar mediante la misma antena o una diferente. Por ejemplo, la retrodispersión de los impulsos del radar por las gotas de lluvia se puede evitar utilizando polarización circular. Así como la reflexión especular de la luz polarizada circularmente invierte la polarización, como se analizó anteriormente, el mismo principio se aplica a la dispersión por objetos mucho más pequeños que una longitud de onda, como las gotas de lluvia. Por otro lado, la reflexión de esa onda por un objeto metálico irregular (como un avión) normalmente introducirá un cambio en la polarización y la recepción (parcial) de la onda de retorno por la misma antena.

El efecto de los electrones libres en la ionosfera , en combinación con el campo magnético terrestre , provoca la rotación de Faraday , una especie de birrefringencia circular. Este es el mismo mecanismo que puede girar el eje de polarización lineal de los electrones en el espacio interestelar como se menciona a continuación. La magnitud de la rotación de Faraday causada por dicho plasma es muy exagerada en frecuencias más bajas, por lo que en las frecuencias de microondas más altas utilizadas por los satélites el efecto es mínimo. Sin embargo, las transmisiones de onda media o corta recibidas tras la refracción de la ionosfera se ven fuertemente afectadas. Dado que la trayectoria de una onda a través de la ionosfera y el vector del campo magnético terrestre a lo largo de dicha trayectoria son bastante impredecibles, una onda transmitida con polarización vertical (u horizontal) generalmente tendrá una polarización resultante en una orientación arbitraria en el receptor.

Polarización circular a través de la ventana de plástico de un avión, 1989

Polarización y visión.

Muchos animales son capaces de percibir algunos de los componentes de la polarización de la luz, por ejemplo, la luz lineal polarizada horizontalmente. Esto se utiliza generalmente con fines de navegación, ya que la polarización lineal de la luz del cielo es siempre perpendicular a la dirección del sol. Esta habilidad es muy común entre los insectos , incluidas las abejas , que utilizan esta información para orientar sus danzas comunicativas . ^{[36] : 102–103} También se ha observado sensibilidad a la polarización en especies de pulpo , calamar , sepia y camarón mantis . ^{[36] : 111–112} En el último caso, una especie mide los seis componentes ortogonales de la polarización y se cree que tiene una visión de polarización óptima. ^[37] Los patrones de piel de colores vivos y que cambian rápidamente de la sepia, utilizados para la comunicación, también incorporan patrones de polarización, y se sabe que el camarón mantis tiene tejido reflectante selectivo de polarización. Se pensaba que las palomas percibían la polarización del cielo , lo que se suponía que era una de sus ayudas para localizarse , pero las investigaciones indican que se trata de un mito popular. ^[38]

El ojo humano desnudo es débilmente sensible a la polarización, sin necesidad de filtros intermedios. La luz polarizada crea un patrón muy tenue cerca del centro del campo visual, llamado pincel de Haidinger . Este patrón es muy difícil de ver, pero con la práctica se puede aprender a detectar la luz polarizada a simple vista. ^{[36] : 118}

Momento angular usando polarización circular.

Es bien sabido que la radiación electromagnética conlleva un cierto impulso lineal en la dirección de propagación. Sin embargo, además, la luz tiene un cierto momento angular si está polarizada circularmente (o parcialmente). En comparación con frecuencias más bajas, como las microondas, la cantidad de momento angular de la luz , incluso de polarización circular pura, en comparación con el momento lineal de la misma onda (o presión de radiación ) es muy pequeña e incluso difícil de medir. Sin embargo, se utilizó en un experimento para alcanzar velocidades de hasta 600 millones de revoluciones por minuto. ^{[39] [40]}

Ver también

Física cuántica

• Plano de polarización
• Momento angular de giro de la luz.

Óptica

• Despolarizador (óptica)
• Anisotropía de fluorescencia
• Prisma de Glan-Taylor
• efecto Kerr
• nicol prisma
• efecto bolsillos
• rotador de polarización
• Microscopía de luz polarizada.
• polarizador
• Polaroid (polarizador)
• polarización radial
• Modelo de cielo de Rayleigh
• Placa ondulada

Referencias

Referencias citadas

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Referencias generales

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• Shurcliff, William A. (1962). Luz polarizada, producción y uso . Universidad Harvard.

enlaces externos

• La conferencia de Feynman sobre la polarización
• Galería de imágenes digitales de luz polarizada: imágenes microscópicas realizadas mediante efectos de polarización
• MathPages: La relación entre el giro del fotón y la polarización
• Un microscopio de polarización virtual
• Ángulo de polarización en antenas parabólicas.
• Expresiones moleculares: ciencia, óptica y usted - Polarización de la luz: tutorial interactivo de Java
• Polarización de antena
• Animaciones de polarizaciones lineales, circulares y elípticas en YouTube