De polarisatie van licht: meer dan alleen een intensiteit

Wat is polarisatie van licht en wat hebben zonnebrillen hiermee te maken?

Deze afgelopen weken ben ik bezig geweest met het calibreren van een polarimeter. Zoals de naam het zegt meet het instrument polarisatie. Maar wat is polarisatie precies?

We beschrijven licht in drie variabelen: de lichtsterkte, de kleur en de polarisatie. De lichtsterkte vertelt ons de grootte van amplitude. Dit noemen we ook wel de intensiteit. Intensiteit is de eigenschap die we meten met camera's. De camera geeft de intensiteit in een eenheid van counts die wij dan weer omzetten in een andere eenheid: bijvoorbeeld flux. De kleur van licht wordt bepaalt de golflengte van het licht¹. Deze golflengte is niet direct te meten. Wat ik hiermee bedoel is dat we niet direct kijken naar het licht op een detector maar (in het geval van golflengte metingen) naar diffractie patronen kijken. Tenslotte hebben we nog de polarisatie, ofwel de trillingsrichting van het licht die altijd loodrecht op de voortplantingsrichting staat. Met meten van polarisatie is dus het meten van deze trillingsrichting. Of net iets beter gezegt: het meten van het percentage golven die deze zelfde richting hebben.

Maar hoe kan je deze trillingsrichting meten? Net zei ik nog dat detectoren in cameras alleen intensiteit kunnen meten. Om dit concept uit te leggen geef ik hieronder het voorbeeld van een polaroid zonnebril en een 3D bril.

Een polaroid zonnebril vs. een 3D bril • Het moduleren van lichtstralen.

Zonlicht bestaat uit een bundels van lichtstralen die allemaal verschillende trillingsrichtingen hebben. Doordat er geen voorkeur is voor een richting noemen we dit licht ook wel ongepolariseerd licht. Lichtstralen van lampen zijn ook ongepolariseerd. Daar in tegen, laser licht is vaak gepolariseerd. Dit betekend dat de trillingsrichtingen van laser licht dus wel een voorkeur voor een trillingsrichting hebben. Deze voorkeur kan zorgen voor linear, circulair en elliptisch gepolariseerd licht. Meestal is het licht van lasers linear gepolariseerd. Ook in de natuur is linear gepolariseerd licht de meest voorkomende soort gepolariseerd licht.

Maar wacht eens even.. Net zeiden we dat zonlicht ongepolariseerd was? Hoe wordt (zon)licht gepolariseerd? Zoodra het licht van de zon de atmosfeer binnenkomt hebben de golven nog een willekeurige trillingsrichting. In de atmosfeer kan het licht verstrooit (weerkaatst) worden door te botsen met moleculen in de lucht, water en kleine stof deeltjes (aerosolen). Deze verstrooiing wordt ook wel Rayleight verstrooiing genoemt. Rayleight verstrooiing zorgt er voor dat een deel van het licht gepolariseerd wordt. Wanneer de zonnestralen vlakke oppervlaktes, zoals water, sneeuw en ijs op het aardoppervlak, wordt deels het licht horizontaal (linear) gepolariseerd. Dit zien we met onze ogen als een verblindende schittering. Polaroid zonnebrillen hebben een filter voor deze horizontale lineare polarisatie. Dit maakt dat de zonnebrillen het zicht verbeteren en vermoeide ogen voorkomen op zonnige dagen.

Maar wat heeft een 3D bril dan met polarisatie te maken? Een 3D bril gebruikt polarisatieglazen om een illusie van 3D beeld te creëren. Elk glas bevat een verschillend polarisatiefilter. Elk filter laat alleen het licht door dat op één manier gepolariseerd is. Licht dat in de tegenovergestelde richting is gepolariseerd wordt dus tegengehouden. Dit zorgt ervoor dat beide ogen een ander beeld zien van hetzelfde object. Onze twee ogen denken deze twee beelden vanuit twee verschillende posities te zien, zogenaamde schijnposities. De combinatie van het zien van een beeld uit twee posities leidt tot een illusie van een 3D beeld.

Hou de blog in de gaten! Binnenkort vertel ik meer over hoe ik polarisatie wil gaan meten! ¹ Zie mijn blog van 19 januari voor een uitleg over zonlicht en golflengtes.