Polarisasi Cahaya: Memilih Arah Ayunan

Cahaya ialah gelombang elektromagnet melintang, iaitu medan elektriknya berayun tegak lurus terhadap arah perambatan. Dalam cahaya tidak terpolarisasi, arah ayunan itu berubah-ubah merentasi banyak orientasi. Polarisasi menerangkan susunan orientasi ayunan medan elektrik; dalam polarisasi linear, arah ayunan tertumpu pada satu arah tetap.

Polarisasi ialah sifat gelombang melintang

Gelombang melintang boleh dipolarisasikan kerana ayunannya mempunyai arah sisi yang boleh dipilih. Gelombang bunyi di udara pula ialah gelombang membujur, iaitu ayunannya sejajar dengan arah perambatan, jadi tiada arah sisi untuk dipilih. Itulah sebabnya keupayaan cahaya dipolarisasikan menjadi petunjuk bahawa cahaya ialah gelombang melintang.

Penapis memilih satu arah

Penapis polarisasi hanya meneruskan komponen medan elektrik yang selari dengan paksi penghantarannya. Komponen yang tegak lurus dengan paksi itu diserap atau dilemahkan. Selepas melalui satu penapis ideal, cahaya menjadi terpolarisasi linear.

Hukum Malus: keamatan bergantung pada sudut

Jika cahaya terpolarisasi linear dengan keamatan I₀ melalui penapis kedua yang paksinya membuat sudut θ dengan arah polarisasi, hanya komponen amplitud E cos θ diteruskan. Oleh sebab keamatan berkadar dengan kuasa dua amplitud, keamatan terhantar ialah I = I₀ cos² θ. Hubungan ini dikenali sebagai hukum Malus. Apabila θ = 0°, I = I₀. Apabila θ = 90°, cos θ = 0 dan dua penapis bersilang yang ideal tidak menghantar apa-apa cahaya. Pada θ = 45°, keamatan menjadi separuh daripada I₀. Sebagai contoh, jika I₀ = 80 W/m² dan θ = 30°, maka I = 80 × 0.75 = 60 W/m² kerana cos² 30° = 0.75. Hukum ini terpakai pada cahaya yang sudah terpolarisasi. Jika cahaya tidak terpolarisasi memasuki penapis pertama, keamatan purata yang keluar ialah separuh keamatan asal, dan nilai itulah I₀ bagi penapis kedua.

Bagi θ = 60°, cos² 60° = (0.5)² = 0.25, jadi I = 0.25 I₀. Maka keamatan terhantar berkurang daripada I₀ pada 0° kepada 0.75 I₀ pada 30°, 0.50 I₀ pada 45°, 0.25 I₀ pada 60° dan 0 pada 90°.

Pantulan menghasilkan polarisasi separa

Apabila cahaya memantul daripada permukaan seperti air atau kaca, komponen yang berayun selari dengan permukaan dipantulkan lebih kuat. Pada sudut Brewster θB, yang memenuhi tan θB = n₂ / n₁ (n₁ ialah indeks biasan medium asal cahaya dan n₂ indeks biasan medium kedua), cahaya pantulan menjadi terpolarisasi sepenuhnya dengan arah ayunan selari dengan permukaan, dan sinar pantulan serta sinar biasan saling tegak lurus. Bagi udara (n₁ ≈ 1.00) dan air (n₂ ≈ 1.33), tan θB = 1.33, jadi θB ≈ 53°. Itulah sebab cermin mata hitam berpolarisasi, yang paksinya tegak, dapat mengurangkan silau daripada permukaan mendatar.

Serakan atmosfera dan bahan sebenar

Cahaya yang diserakkan oleh molekul atmosfera juga terpolarisasi sebahagian, bergantung pada geometri antara Matahari, zarah penyerak dan pemerhati, jadi keamatan cahaya langit berubah apabila penapis diputar. Penapis sebenar pula mempunyai kehilangan serta julat panjang gelombang yang terhad. Oleh itu, pemadaman sempurna bagi dua penapis bersilang hanya didekati dalam eksperimen yang dijalankan dengan baik.

Aplikasi: cermin mata hitam dan paparan LCD

Cermin mata hitam berpolarisasi mengurangkan silau daripada permukaan mendatar seperti air dan jalan raya. Paparan kristal cecair (LCD) pula menggunakan penapis berpolarisasi dan lapisan kristal cecair yang memutar arah polarisasi cahaya, dan voltan elektrik mengawal sama ada cahaya melepasi penapis kedua.

Sejarah ringkas

Étienne-Louis Malus menemui polarisasi cahaya melalui pantulan pada 1808 dan merumuskan hukum keamatan pada 1809. David Brewster menerbitkan hubungan bagi sudut polarisasi pantulan pada 1815.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?