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Módulo IV
POLARIZACIÓN DE
LA LUZ Y
POLARIMETRÍA
Por ser las direcciones de las perturbaciones
eléctrica y magnética perpendiculares a la
dirección de propagación, la radiación
electromagnética es una onda transversal.
Recordando el modelo electromagnético
de la luz, veamos las siguientes formas
de representarlo:
• El campo eléctrico
y el magnético
vibran en fase.
• Son perpendiculares
entre sí y con la
dirección de
propagación.
Y ahora en movimiento…..
Si se fija la atención en el punto amarillo dibujado en la trayectoria
de la radiación, se puede apreciar que las perturbaciones eléctrica y
magnética “vibran” de una manera armónica simple.
Los dipolos
oscilantes son
fuentes de
radiación
electromagnética.
En estos
esquemas ya no
se representó a
la perturbación
magnética.
La perturbación
eléctrica “vibra”
en el plano que
contiene al dibujo
y en todos los
planos que
contienen al
dipolo oscilante.
En todos los esquemas anteriores el
vector campo eléctrico vibraba en
un único plano, en tales situaciones
la radiación electromagnética es
descripta como LINEALMENTE
POLARIZADA.
Un haz de rayos de luz cuyas
radiaciones electromagnéticas
“vibren” en planos paralelos entre
sí constituirá un haz de luz
LINEALMENTE POLARIZADA..
Obtención de luz linealmente polarizada
En general, la luz que nos
ilumina no es linealmente
polarizada en un plano
preferencial sino que
puede considerarse como
un sinnúmero de luces
linealmente polarizadas,
con planos de vibración
orientados en todas las
direcciones posibles. La
llamamos LUZ NATURAL.
A partir
natural
∑ Ey
∑ Ex
Y para describir muchos
fenómenos resulta
conveniente descomponer
cada una de las luces
polarizadas en sus
componentes (x ;y) para
representar entonces a la
luz natural como dos
perturbaciones eléctricas
perpendiculares entre sí
pero vibrando sin relación
de fase alguna.
Cuando un haz de luz natural
incide sobre una superficie lisa
de un material dieléctrico (no
conductor), las componentes
vibracionales paralelas y
perpendiculares al plano de
incidencia se reflejan en
distinta proporción.
Vemos que el reflejo en el agua de la luz solar que llega a los ojos del
bañista se encuentra enriquecido el las componentes que vibran en una
dirección perpendicular al plano de incidencia.
¿ Existirá una situación en
donde la luz reflejada sea
en un 100 % luz linealmente
polarizada ?
He aquí algunos
esquemas para
“echar luz” sobre
la polarización por
reflexión.
Pulsar éste botón de
acción para saltear
métodos de obtención
de luz
¡ Sí !
Por
Por
Por
Por
reflexión
birrefringencia
dicroísmo
dispersión
Pulsar los botones de acción para acceder a cada tema
Ley de Brewster
Dado un dioptro entre dos medios transparentes no conductores
de la electricidad, al ángulo de incidencia para el cual los rayos
reflejado y refractado forman entre si un ángulo recto, se lo
denomina ángulo de polarización, ya que en ese caso en particular
la luz del rayo reflejado está en un 100 % linealmente polarizada,
vibrando en un plano perpendicular al plano de incidencia.
La intensidad luminosa del rayo reflejado es sólo una pequeña
proporción de la intensidad del rayo de luz natural incidente.
Un par de
diagramas más ...
Ya hace tiempo que no se emplea el
método de múltiples reflexiones
para obtener haces de luz
linealmente polarizada de adecuada
intensidad luminosa.
Pulsar el botón
para acceder a
otros métodos
de obtención de
luz polarizada
¿Por qué al observar a
través de estos cristales
se ven imágenes dobles?
Birrefringencia
En estos medios anisótropos el índice de
refracción varía según la dirección que
consideremos dentro del material.
Estas sustancias presentan direcciones o planos
de distinta “rigidez” o “elasticidad” para
interactuar con el campo eléctrico de la luz que
los atraviesa.
Los esquemas
siguientes
describirán al
fenómeno …
¿ Cómo se origina entonces esta “doble
refracción” ?
Para cada rayo formado dentro del material,
se define:
• un índice de refracción diferente,
• una velocidad de propagación diferente,
• una longitud de onda diferente,
• un ángulo de refracción diferente y
• un plano de vibración diferente.
¡ CADA RAYO ES LUZ
LINEALMENTE POLARIZADA !
Los dos rayos formados por la birrefringencia
son llamados “ordinario” y “extraordinario”, y
están polarizados en planos perpendiculares
entre sí.
Separar uno de ellos servirá para obtener luz
linealmente polarizada.
Distintos “prismas” como los esquematizados
permiten lograrlo.
En los materiales birrefringentes, se
puede definir una dirección particular
llamada “eje óptico”, y en dicha
dirección el medio se comporta como
isótropo.
transmisión
Eje de
Pulsar el botón para
acceder a otros métodos de
obtención de luz polarizada
Aquí tenemos una representación de cómo un
sistema dicroico produce luz linealmente
polarizada a partir de luz natural.
Las componentes horizontales
(perpendiculares al “eje de transmisión” ) son
gradual y totalmente extinguidas si el espesor
del material es adecuado.
Las componentes verticales
(paralelas al “eje de transmisión” ) apenas son
absorbidas y emergen en la forma de luz
linealmente polarizada.
Las sustancias dicroicas son en
principio birrefringentes y además
presentan una absorción diferente
para los planos de vibración de los
rayos ordinario y extraordinario.
ATENCIÓN: No confundir “eje
óptico” con “eje de transmisión”
Pulsar el botón para
acceder a otros métodos de
obtención de luz polarizada
Dicroísmo
Un rejilla de alambres conductores
de dimensiones adecuadas puede
producir radiación electromagnética
linealmente polarizada a partir de
radiación electromagnética
“natural”.
Las componentes de campo
eléctrico que vibren paralelas a los
alambres serán absorbidas.
Las componentes de campo
eléctrico perpendiculares a los
alambres se transmiten sin gran
absorción.
Existen materiales naturales y
artificiales en donde estos
fenómenos se llevan a cabo en el
rango de frecuencias de a luz
visible, y reciben el nombre de
filtros polarizadores ó Polaroids®.
Polarización por dispersión
La dispersión o esparcimiento de la luz
puede generar luz linealmente polarizada.
Si bien este fenómeno no se emplea para la
obtención de luz linealmente polarizada,
resulta importante su tratamiento porque
es aprovechado en metodologías de análisis.
Notar que los dipolos no radian en la
dirección de su eje.
El esquema nos permite analizar que el
grado o proporción de polarización lineal
que nos llegue dependerá de la posición
desde la cual “veamos” el dipolo que nos
ilumina con la luz que dispersó.
Polarizando y analizando
Si los ejes de transmisión del
polarizador y el analizador forman
entre sí un ángulo recto, no se
transmitirá luz a través del analizador.
Analizador
Polarizador
Pulsar el botón para
acceder a otros
métodos de obtención
de luz polarizada
De la luz que llega a los analizadores,
sólo las componentes paralelas a su
eje de transmisión son transmitidas.
Pero esta situación no es la única posible ...
It = I0 Cos2 θ
LEY DE
MALUS
It = I0 Cos2 θ
En donde:
En los casos esquematizados la
cantidad de luz transmitida es
puede calcularse a partir de la
LEY DE MALUS
It es la intensidad de luz transmitida por el analizador.
I0 es la intensidad de luz que emerge del polarizador.
θ
es el ángulo que subtienden entre sí los ejes de
transmisión del polarizador y del analizador.
LÁMINAS RETARDADORAS
Contando ya con polarizadores y
analizadores, podemos presentar a
los POLARÍMETROS con los cuales
se estudiará a las sustancias que
posean ACTIVIDAD ÓPTICA
Una lámina retardadora puede ser
representada como un bloque de material
birrefringente, tallado de modo tal de dos
de sus caras son paralelas a la dirección
del eje óptico del material.
Pero para una mejor
comprensión de los
fenómenos involucrados,
deberemos abordar los
tópicos que se presentan
a continuación:
Si sobre una de dichas caras se incide
perpendicularmente con luz
monocromática linealmente polarizada,
dentro del cristal birrefringente se
formarán los rayos ordinario y
extraordinario, estando formado cada uno
de ellos por las componentes de la luz
incidente que vibren en los planos paralelo
y perpendicular respecto del eje óptico
En estos dispositivos, los rayos ordinario y extraordinario, vibrando en planos
perpendiculares entre sí, atraviesan al material con distinta velocidad (con
distintas λ fruto de los distintos índices de refracción), y por lo tanto llegan a
la otra cara a distintos tiempos. (se dice que están desfasados entre sí o
retrasado uno respecto del otro)
Iluminando distintas láminas
retardadoras con luz
monocromática linealmente
polarizada, podremos
alterar o lograr otros tipos
de polarización de la luz.
Retraso de
media longitud
de onda
A ver si esta animación aclara las cosas …
El caso representado
corresponde a un retraso de
media longitud de onda.
¿ Qué modificación de la luz
incidente se produjo?
¿ Qué ángulo forma el plano
de polarización de la luz
incidente respecto de la
dirección del eje óptico ?
¡ Esto se emplea en el polarímetro !
Retraso de un cuarto
de longitud de onda
Otra animación, para presentar a las luces circularmente polarizadas …
Les presentamos a la luz
circularmente polarizada,
que puede ser:
dextrógira (diestra) o
levógira (siniestra)
- no confundir con la “luz mala”-
d
∆N = /λ ( ηe – ηo )
∆N
es el “desfasaje” o
retraso expresado en
número de longitudes de
onda.
d
La expresión permite calcular el retraso que una
lámina retardadora será capaz de efectuar.
ACTIVIDAD ÓPTICA
Decimos que una sustancia es
ópticamente activa cuando
puede rotar el plano de
vibración de la luz linealmente
polarizada que la atraviesa
es el espesor de la
lámina retardadora.
( ηe – ηo ) es la diferencia de
índices de refracción
que el material presenta
para los rayos ordinario y
extraordinario .
Partiendo de luz linealmente
polarizada, cualquier retraso
distinto de ½ ó ¼ ó 1 λ dará origen
a luz elípticamente polarizada.
La rotación se va incrementando
conforme se va atravesando el
material, y dicha rotación puede
ser dextrógira ó levógira.
Pero … ¿Qué modelo puede
emplearse para describir por
qué una sustancia presenta
actividad óptica?
Veamos …
La luz linealmente polarizada con que
atravesamos la muestra puede
considerarse compuesta por dos luces
circularmente polarizadas, de igual
módulo, una dextrógira y otra levógira,
que “giran” o “avanzan” a igual velocidad
en los medios ópticamente inactivos
Atravesando un material ópticamente activo levógiro.
Las sustancias ópticamente activas presentan
“birrefringencia circular ” y retrasan una de las luces
circularmente polarizadas que componen a la luz linealmente
polarizada, respecto de la otra (las “desfasan”) y la luz
linealmente polarizada que recompondrán vibrará en un plano
distinto al plano de la luz linealmente polarizada incidente
Luz
incidente
Luz
emergente
Y ahora veamos qué es el dispositivo de “penumbra” que tienen los
polarímetros de visión directa como los que emplearemos en el T.P.
LEYES DE BIOT
α = [α ] l
Estas relaciones se
cumplen en un rango de
valores y es necesario
precisar tanto la
temperatura de trabajo
como la longitud de onda
de la luz empleada.
α = [α ] l δ
α = [α ] l c
La ventaja de incorporar la media lámina retardadora de ½ λ reside en
que nos permite encontrar con nuestra vista las posiciones de lectura
de los ángulos por comparación de brillo entre dos “semicampos” en vez
de tener que precisarlas buscando máximos o mínimos de iluminación.
mal
bien
La posición de “lectura” se alcanza logrando que los dos semicampos
se encuentren igualmente iluminados y lo más oscuro posible
ALGUNAS APLICACIONES DE LA LUZ POLARIZADA
α total = ∑ αi
α
se mide en grados sexagesimales.
l
mide en milímetros para sólidos o en
decímetros para líquidos.
δ
se expresa en gramos por mililitro.
C se expresa en gramos por mililitro o
en concentración molar.
Monitores TFT
Grabación y lectura de
CD y DVD
MODERNOS
POLARÍMETROS
Monitores LCD
EL CINE 3 D
Propagación de una onda
1a
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/polarizedlight/emwaveex.html
1 b http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/electromagnetic/index.html
Fin
(por ahora)
onda que cruza dos medios
2a
http://stwi.weizmann.ac.il/Lasers/laserweb/Ch-1/F1s1t2p2.htm
2b
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/speedoflight/index.html
refracción deluz monocromática
3a
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/refraction/refractionmono/index.html
refracción de luz blanca
3b
Aquí les damos parte de la
bibliografía que pueden
consultar on-line para
contar con excelentes
animaciones y explicaciones
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/refraction/refractionangles/index.html
Polarización lineal
4a
4b
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/polarizedlight/filters/index.html
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/polarizedlight/3dpolandex.html
Filtros polarizadores
5 a
http://www.maloka.org/f2000/polarization/blocking_light.html
Polarización por reflexión
6
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/polarizedlight/brewster/index.html
Anteojos antirreflex
7
http://www.maloka.org/f2000/polarization/polarizationI.html
Birrefringencia
8 a http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/polarizedlight/crystalwavefronts/index.html
8 b http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/polarizedlight/ellipsoid/index.html
8 c http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/polarizedlight/icelandspar/index.html
Doble refracción en espato de islandia (calcita)
8 d http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/polarizedlight/calcite/index.html
Prisma de Nicol
8 e http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/polarizedlight/nicol/index.html