Polarización (ondas)

La mayoría de las fuentes de luz se clasifican como incoherentes y no polarizadas (o solo "parcialmente polarizadas") porque consisten en una mezcla aleatoria de ondas con 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 sencillo considerar ondas planas coherentes ; estas son ondas sinusoidales de una dirección (o vector de onda ), frecuencia, fase y estado de polarización específicos. Caracterizar un sistema óptico en relación con una onda plana con estos parámetros permite predecir su respuesta a un caso más general, ya que una onda con cualquier estructura espacial específica puede descomponerse en una combinación de ondas planas (su llamado espectro angular ). Los estados incoherentes pueden modelarse estocásticamente como una combinación ponderada de dichas ondas no correlacionadas con una distribución de frecuencias (su espectro ), fases y polarizaciones.

Ondas electromagnéticas transversales

Las ondas electromagnéticas (como la luz), que viajan en el espacio libre u otro medio homogéneo , isótropo y no atenuante , se describen propiamente como ondas transversales , lo que significa que el vector de campo eléctrico E y el campo magnético H de una onda plana están cada uno en una dirección perpendicular (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 en el 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 la notación compleja (o fasorial ), los campos eléctricos y magnéticos físicos instantáneos vienen 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 ni de y ), estos campos complejos se pueden escribir como: $${\displaystyle {\vec {E}}(z,t)={\begin{bmatrix}e_{x}\\e_{y}\\0\end{bmatrix}}\;e^{i2\pi \left({\frac {z}{\lambda }}-{\frac {t}{T}}\right)}={\begin{bmatrix}e_{x}\\e_{y}\\0\end{bmatrix}}\;e^{i(kz-\omega t)}}$$ y $${\displaystyle {\vec {H}}(z,t)={\begin{bmatrix}h_{x}\\h_{y}\\0\end{bmatrix}}\;e^{i2\pi \left({\frac {z}{\lambda }}-{\frac {t}{T}}\right)}={\begin{bmatrix}h_{x}\\h_{y}\\0\end{bmatrix}}\;e^{i(kz-\omega t)},}$$ donde λ = λ ₀ / n es la longitud de onda en el medio (cuyo índice de refracción es n ) y T = 1/ f es el período de la onda. Aquí e _x , e _y , h _x , y h _y son números complejos. En la segunda forma más compacta, como se expresan habitualmente estas ecuaciones, estos factores se describen usando el número de onda k = 2π n / λ ₀ y la frecuencia angular (o "frecuencia radianal") ω = 2π f . En una formulación más general con propagación no restringida a la dirección +z , entonces la dependencia espacial kz se reemplaza por k → ∙ r → donde k → se llama el vector de onda , cuya magnitud es el número de onda.

Así, los vectores principales e y h contienen cada uno hasta dos componentes (complejas) no nulas que describen la amplitud y la fase de las componentes de polarización x e y de la onda (nuevamente, no puede haber componente de polarización z para una onda transversal en la dirección + z ). Para un medio dado con una impedancia característica η , h se relaciona con e mediante: $${\displaystyle {\begin{aligned}h_{y}&={\frac {e_{x}}{\eta }}\\h_{x}&=-{\frac {e_{y}}{\eta }}.\end{aligned}}}$$

En un dieléctrico, η es real y tiene el valor η₀ _/ n , donde n es el índice de refracción y _η₀ es la impedancia del vacío . La impedancia será compleja en un medio conductor. Nótese que, dada esta relación, el producto escalar de E y H debe ser cero: $${\displaystyle {\begin{aligned}{\vec {E}}\left({\vec {r}},t\right)\cdot {\vec {H}}\left({\vec {r}},t\right)&=e_{x}h_{x}+e_{y}h_{y}+e_{z}h_{z}\\&=e_{x}\left(-{\frac {e_{y}}{\eta }}\right)+e_{y}\left({\frac {e_{x}}{\eta }}\right)+0\cdot 0\\&=0,\end{aligned}}}$$ lo que indica que estos vectores son ortogonales (forman un ángulo recto entre sí), como era de esperar.

Conociendo la dirección de propagación ( + z en este caso) y η , se puede especificar la onda simplemente 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 la fase totales de dicha onda. Específicamente, la intensidad de la onda luminosa es proporcional a la suma de los cuadrados de las magnitudes de las 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 solo depende de la relación (compleja) de e _y a e _x . Así que consideremos ondas cuya | 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 dado que 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: $${\displaystyle {\begin{aligned}e_{x}&={\sqrt {\frac {1+Q}{2}}}\\e_{y}&={\sqrt {\frac {1-Q}{2}}}\,e^{i\phi },\end{aligned}}}$$ donde el estado de polarización ahora está completamente parametrizado por el valor de Q (de tal manera que −1 < Q < 1 ) y la fase relativa ϕ .

Para una onda monocromática puramente polarizada, el vector del campo eléctrico a lo largo de un ciclo de oscilación describe una elipse. Un estado de polarización puede describirse en relación con los parámetros geométricos de la elipse y su "quiralidad", es decir, si la rotación alrededor de la elipse es en sentido horario o antihorario. 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 el eje 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.${\textstyle e={\sqrt {1-b^{2}/a^{2}}},}$o el ángulo de elipticidad ,${\textstyle \chi =\arctan b/a}$${\textstyle =\arctan 1/\varepsilon }$como se muestra en la figura. ^{[ 13 ]} El ángulo χ también es significativo, ya que la latitud (ángulo desde el ecuador) del estado de polarización, tal como se representa en la esfera de Poincaré (véase 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.

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 , a ₁ y a ₂ denotan la amplitud de la onda en las dos componentes del vector del campo eléctrico, mientras que θ ₁ y θ ₂ 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 lo tanto, el mismo estado de polarización. El campo eléctrico físico, como la parte real del vector de Jones, se vería alterado, pero el estado de polarización en sí es independiente de la fase absoluta . Los vectores base utilizados para representar el vector de Jones no necesitan representar estados de polarización lineal (es decir, ser reales ). En general, se pueden usar dos estados ortogonales cualesquiera, donde un par de vectores ortogonales se define formalmente como uno que tiene un producto interno cero . Una elección común son las polarizaciones circulares izquierda y derecha, por ejemplo, para modelar la diferente propagación de ondas en dos de dichas componentes en medios birrefringentes circulares (véase más adelante) o trayectorias de señal de detectores coherentes sensibles a la polarización circular.

Independientemente de si el estado de polarización se representa mediante parámetros geométricos o vectores de Jones, la orientación del sistema de coordenadas está implícita en la parametrización. Esto permite un grado de libertad, concretamente la rotación alrededor de la dirección de propagación. Al considerar la luz que se propaga paralela a la superficie terrestre, se suelen utilizar los términos polarización "horizontal" y "vertical", asociándose la primera con la primera componente del vector de Jones, o ángulo azimutal cero. Por otro lado, en astronomía se suele utilizar el sistema de coordenadas ecuatoriales , donde el azimut cero (o ángulo de posición, como se le denomina más comúnmente en astronomía para evitar confusiones con el sistema de coordenadas horizontales ) corresponde al norte verdadero.

El grado de polarización ( GPO ) es una magnitud que describe la porción de una onda electromagnética que está polarizada. El GPO se calcula a partir de los parámetros de Stokes . Una onda perfectamente polarizada tiene un GPO del 100%, mientras que una onda no polarizada tiene un GPO del 0%. Una onda parcialmente polarizada, que por lo tanto puede representarse como la superposición de un componente polarizado y otro no polarizado, tendrá un GPO entre el 0% y el 100%. El GPO se calcula como la fracción de la potencia total que transporta el componente polarizado de la onda.

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

El grado de polarización (DOP) también se visualiza mediante la representación de la esfera de Poincaré de un haz polarizado. En esta representación, el DOP es igual a la longitud del vector medido desde el centro de la esfera.

En el vacío , los 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 permanece constante. 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 indicó anteriormente, el campo eléctrico instantáneo es la parte real del producto del vector de Jones por el factor de fase.${\displaystyle e^{-i\omega t}}$Cuando una onda electromagnética interactúa con la materia, su propagación se ve alterada según el índice de refracción (complejo) del material . Cuando la parte real o imaginaria de dicho índice de refracción depende del estado de polarización de la onda, propiedades conocidas como birrefringencia y dicroísmo de polarización (o diatenueación ), respectivamente, entonces el estado de polarización de la onda generalmente se verá alterado.

En dichos medios, una onda electromagnética con cualquier estado de polarización dado puede descomponerse en dos componentes polarizadas ortogonalmente que encuentran diferentes constantes de propagación . El efecto de la propagación a lo largo de una trayectoria dada sobre esas dos componentes se caracteriza más fácilmente en forma de una ecuación compleja. Matriz de transformación de 2 × 2 J 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, así como de la birrefringencia. La birrefringencia (así como el índice de refracción promedio) generalmente será dispersiva , es decir, variará en función de la frecuencia óptica (longitud de onda). Sin embargo, en el caso de materiales no birrefringentes, laLa matriz de Jones de 2 × 2 es la matriz identidad (multiplicada por un factor de fase escalar y un factor de atenuación), lo que implica que no hay cambios 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 de estos modos de propagación al sistema lineal utilizado para los vectores de Jones; en el caso de birrefringencia lineal o diatenueación, 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 , las ondas electromagnéticas de diferentes polarizaciones viajan a diferentes velocidades ( velocidades de fase ). Como resultado, cuando las 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 produce una diferencia de fase _entre los componentes que aumenta a medida que las ondas viajan más lejos a través del material. La matriz de Jones es una _matriz unitaria : | g₁ | = | g₂ | = 1. Los medios denominados diatenueantes (o dicroicos en el sentido de la polarización), en los que solo las amplitudes de las dos polarizaciones se ven afectadas diferencialmente, 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 unitarias y hermitianas positivas, la propagación de la luz a través de cualquier secuencia de componentes ópticas dependientes de la polarización puede escribirse como el producto de estos dos tipos básicos de transformaciones.

En los medios birrefringentes no hay atenuación, pero dos modos acumulan un retardo de fase diferencial. Manifestaciones bien conocidas de birrefringencia lineal (es decir, en la que las polarizaciones base son polarizaciones lineales ortogonales) aparecen en láminas de onda ópticas /retardadores y en muchos cristales. Si la luz polarizada linealmente atraviesa un material birrefringente, su estado de polarización generalmente cambiará, a menos que su dirección de polarización sea idéntica a una de esas polarizaciones base. Dado que el desfase, y por lo tanto el cambio en el estado de polarización, suele depender de la longitud de onda, dichos objetos observados bajo luz blanca entre dos polarizadores pueden generar efectos de color, como se observa en la fotografía adjunta.

La birrefringencia circular también se denomina actividad óptica , especialmente en fluidos quirales , o rotación de Faraday , cuando se debe a la presencia de un campo magnético en la dirección de propagación. Cuando la luz polarizada linealmente atraviesa un objeto de este tipo, sale polarizada linealmente, pero con el eje de polarización rotado. Una combinación de birrefringencia lineal y circular tendrá como polarizaciones base dos polarizaciones elípticas ortogonales; sin embargo, el término "birrefringencia elíptica" se usa con poca frecuencia.

Se puede visualizar el caso de birrefringencia lineal (con dos modos de propagación lineal ortogonales) con una onda incidente polarizada linealmente a un ángulo de 45° respecto a dichos modos. A medida que se acumula una fase diferencial, la polarización se vuelve elíptica, pasando finalmente a polarización circular pura (diferencia de fase de 90°), luego a polarización elíptica y finalmente lineal (fase de 180°) perpendicular a la polarización original, luego a circular de nuevo (fase de 270°), luego a elíptica con el ángulo azimutal original, y finalmente de vuelta al estado de polarización lineal original (fase de 360°), donde el ciclo comienza de nuevo. En general, la situación es más compleja 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 (rojo) y elíptica (amarillo). La intensidad total y el grado de polarización no se ven afectados. Si la longitud del recorrido en el medio birrefringente es suficiente, los dos componentes de polarización de un haz (o rayo ) colimado pueden salir del material con un desfase posicional, aunque sus direcciones de propagación finales sean las mismas (siempre que la cara de entrada y la de salida sean paralelas). Esto se observa comúnmente con cristales de calcita , que presentan al observador dos imágenes ligeramente desplazadas, con polarizaciones opuestas, de un objeto situado detrás del cristal. Fue este efecto el que propició el primer descubrimiento de la polarización, realizado por Erasmo Bartolino en 1669.

Además de la birrefringencia y el dicroísmo en medios extendidos, los efectos de polarización que se pueden describir mediante matrices de Jones también pueden ocurrir en la interfaz (reflectante) entre dos materiales con diferente índice de refracción . Estos efectos se tratan mediante las ecuaciones de Fresnel . Parte de la onda se transmite y parte se refleja; para un material dado, estas 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.

Cualquier luz que incida sobre una superficie con un ángulo de incidencia especial, conocido como ángulo de Brewster , donde el coeficiente de reflexión para la polarización p es cero, se reflejará conservando únicamente la polarización s . Este principio se emplea en el denominado "polarizador de placas apiladas" (véase la figura), en el que parte de la polarización s se elimina por reflexión en cada superficie con ángulo de Brewster, quedando solo la polarización p tras su transmisión a través de múltiples superficies. El coeficiente de reflexión, generalmente menor, 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 deslumbramiento producido, por ejemplo, por la reflexión en una calle mojada. ^{[ 23 ] : 348–350}

En el caso especial e importante de reflexión con incidencia normal (sin materiales anisótropos), no existe una polarización s o p particular. Las componentes de polarización x e y se reflejan de forma idéntica, por lo que la polarización de la onda reflejada es idéntica a la de la onda incidente. Sin embargo, en el caso de polarización circular (o elíptica), la quiralidad del estado de polarización se invierte, ya que, por convención , se especifica en relación con la dirección de propagación. La rotación circular del campo eléctrico alrededor de los ejes xy , denominada "dextrógira" para una onda en la dirección + z, es "levógira" para una onda en la dirección −z . Pero en el caso general de reflexión con un ángulo de incidencia distinto de cero, no se puede hacer tal generalización. Por ejemplo, la luz polarizada circularmente a la derecha que se refleja en una superficie dieléctrica con un ángulo rasante seguirá estando polarizada a la derecha (pero elípticamente). La luz polarizada linealmente que se refleja en un metal con incidencia no normal generalmente se polarizará elípticamente. Estos casos se manejan utilizando vectores de Jones sobre los que actúan los diferentes coeficientes de Fresnel para las componentes de polarización s y p .

En ingeniería , el fenómeno de la birrefringencia inducida por tensión permite observar fácilmente las tensiones en materiales transparentes. Como se mencionó anteriormente y se aprecia en la fotografía adjunta, la cromaticidad de la birrefringencia suele generar patrones de color al observarla entre dos polarizadores. Al aplicar fuerzas externas, se observa la tensión interna inducida en el material. Además, la birrefringencia se observa con frecuencia debido a tensiones "congeladas" durante la fabricación. Un ejemplo claro es la cinta adhesiva , cuya birrefringencia se debe al estiramiento del material durante el proceso de fabricación.

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

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

La birrefringencia (lineal) es una propiedad común en los minerales cristalinos y, de hecho, fue fundamental en el descubrimiento inicial de la polarización. En mineralogía , esta propiedad se aprovecha frecuentemente mediante microscopios de polarización para la identificación de minerales. Véase mineralogía óptica para más detalles. ^{[ 26 ] : 163–164}

Las ondas sonoras en materiales sólidos presentan 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 cizallamiento ) 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}

De manera similar, los microscopios de polarización pueden utilizarse para ayudar en la detección de materia extraña en cortes de tejido biológico si es birrefringente; las autopsias a menudo mencionan (la ausencia o presencia de) "restos extraños polarizables". ^{[ 29 ]}

Como se ha visto anteriormente, la birrefringencia de un tipo de cristal es útil para identificarlo, por lo que la detección de la birrefringencia lineal resulta especialmente útil en geología y mineralogía . La luz polarizada linealmente generalmente ve alterado su estado de polarización al atravesar dicho cristal, lo que hace que destaque cuando se observa entre dos polarizadores cruzados, como se aprecia en la fotografía anterior. Del mismo modo, en química, la rotación de los ejes de polarización en una solución líquida puede ser una medición útil. En un líquido, la birrefringencia lineal es imposible, pero puede existir birrefringencia circular cuando una molécula quiral se encuentra en solución. Cuando los enantiómeros diestro y zurdo de dicha molécula están presentes en igual número (una denominada mezcla racémica ), sus efectos se anulan. Sin embargo, cuando solo hay uno (o una preponderancia de uno), 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 misma, cuando se puede suponer que solo está presente un enantiómero). Esto se mide utilizando un polarímetro en el que se hace pasar luz polarizada a través de un tubo del líquido, en cuyo extremo hay otro polarizador que se gira para anular la transmisión de luz a través de él. ^{[ 23 ] : 360–365 [ 30 ]}

En muchas áreas de la astronomía , el estudio de la radiación electromagnética polarizada 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 fuentes incoherentes como los grandes lóbulos de radio en galaxias activas y la radiación de radio de púlsares (que, se especula, puede ser coherente en ocasiones), y también se impone a la luz estelar por dispersión del polvo interestelar . Además de proporcionar información sobre fuentes de radiación y dispersión, la polarización también sondea el campo magnético interestelar a través de la rotación de Faraday . ^{[ 31 ] : 119, 124 [ 32 ] : 336–337} La polarización del fondo cósmico de microondas se está utilizando para estudiar la física del universo muy temprano. ^{[ 33 ] [ 34 ]} La radiación sincrotrón está inherentemente polarizada. Se ha sugerido que las fuentes astronómicas causaron la quiralidad de las moléculas biológicas en la Tierra, ^{[ 35 ]} pero se ha propuesto la selección de quiralidad en cristales inorgánicos como una teoría alternativa. ^{[ 36 ]}

La luz no polarizada, tras reflejarse en una superficie especular (brillante), generalmente adquiere cierto grado de polarización. Este fenómeno fue observado a principios del siglo XIX por el matemático Étienne-Louis Malus , de quien toma su nombre la ley de Malus . Las gafas de sol polarizadas aprovechan este efecto para reducir el deslumbramiento provocado por los reflejos en superficies horizontales, especialmente en la carretera vista desde un ángulo rasante.

Quienes usan gafas de sol polarizadas a veces observan efectos de polarización involuntarios, como efectos birrefringentes dependientes del color, por ejemplo, en vidrio templado (como el de las ventanillas de los coches) o en objetos de plástico transparente , junto con la polarización natural por reflexión o dispersión. La luz polarizada de los monitores de pantalla de cristal líquido (LCD) (véase más abajo) resulta extremadamente notoria al usarlos.

La polarización se observa en la luz del cielo , ya que esta se debe a la luz solar dispersada por los aerosoles al atravesar la atmósfera terrestre . La luz dispersada produce el brillo y el color en cielos despejados. Esta polarización parcial de la luz dispersada se puede utilizar para oscurecer el cielo en las fotografías, aumentando el contraste. Este efecto se observa con mayor intensidad en los puntos del cielo que forman un ángulo de 90° con el Sol. Los filtros polarizadores utilizan estos efectos para optimizar los resultados de la fotografía de escenas en las que interviene la reflexión o la dispersión de la luz del cielo. ^{[ 23 ] : 346–347 [ 37 ] : 495–499}

La polarización del cielo se ha utilizado para la orientación en la navegación. La brújula celeste de Pfund se utilizó en la década de 1950 para navegar cerca de los polos del campo magnético terrestre cuando ni el sol ni las estrellas eran visibles (por ejemplo, bajo nubes diurnas o al anochecer ). Se ha sugerido, de forma controvertida, que los vikingos utilizaron 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 se encuentra el « reloj polar », inventado por Charles Wheatstone a finales del siglo XIX. ^{[ 38 ] : 67–69}

El principio de la tecnología de pantallas de cristal líquido (LCD) se basa en la rotación del eje de polarización lineal mediante la matriz de cristal líquido. La luz de la retroiluminación (o de la capa reflectante posterior, en dispositivos que no la incluyen o no la requieren) primero atraviesa una lámina polarizadora lineal. Esta luz polarizada pasa a través de la capa de cristal líquido propiamente dicha, que puede estar organizada en píxeles (para un televisor o monitor de ordenador) o en otro formato, como una pantalla de siete segmentos o una con símbolos personalizados para un producto específico. La capa de cristal líquido se fabrica con una quiralidad dextrógira (o levógira) constante, compuesta esencialmente por diminutas hélices . Esto provoca birrefringencia circular y está diseñada para que exista 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 por completo la birrefringencia circular. En el lado de visualización de la pantalla hay otra lámina polarizadora lineal, generalmente orientada a 90 grados con respecto a la que se encuentra 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 perpendicular 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 el paso de la luz. Los voltajes intermedios generan una rotación intermedia del eje de polarización, y el píxel presenta una intensidad intermedia. Las pantallas basadas en este principio están muy extendidas y actualmente se utilizan en la gran mayoría de televisores, monitores de ordenador y proyectores de vídeo, lo que ha dejado prácticamente obsoleta la tecnología CRT anterior . El uso de la polarización en el funcionamiento de las pantallas LCD resulta evidente para quien lleva gafas de sol polarizadas, lo que a menudo dificulta la lectura de la pantalla.

En un sentido totalmente distinto, la codificación de polarización se ha convertido en el método principal (aunque no el único) para ofrecer imágenes separadas a cada ojo en las pantallas estereoscópicas utilizadas para películas en 3D . Esto implica imágenes separadas destinadas a cada ojo, proyectadas desde dos proyectores diferentes con filtros polarizadores orientados ortogonalmente o, más comúnmente, 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 solo la imagen prevista. Históricamente, estos sistemas utilizaban la 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 se utiliza ampliamente en la exhibición de películas en 3D en la actualidad, como el sistema de RealD . La proyección de dichas imágenes requiere pantallas que mantengan la polarización de la luz proyectada cuando se observa en reflexión (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 obsoletas, las pantallas de ordenador CRT sufrían de reflejos en la envoltura de vidrio, lo que provocaba deslumbramiento por la luz ambiental y, en consecuencia, un contraste deficiente. Se emplearon varias soluciones antirreflejos para mitigar este problema. Una de ellas utilizaba el principio de reflexión de la luz polarizada circularmente. Un filtro polarizador circular delante de la pantalla permite la transmisión (por ejemplo) únicamente de la luz ambiental polarizada circularmente a la derecha. Ahora bien, la luz polarizada circularmente a la derecha (según la convención utilizada) tiene 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 mantiene la misma dirección de rotación, pero ahora la propagación se produce en la dirección −z, lo que hace que la onda reflejada esté polarizada circularmente a la izquierda . Con el filtro de polarización circular a la derecha colocado delante del vidrio reflectante, la luz no deseada reflejada por el vidrio estará en un estado de polarización que bloquea dicho filtro, eliminando así el problema de la reflexión. La inversión de la polarización circular por reflexión y la eliminación de reflejos de esta manera se pueden observar fácilmente mirándose en un espejo con gafas 3D que emplean polarización circular izquierda y derecha en sus dos lentes. Al cerrar un ojo, el otro verá un reflejo en el que no se ve a sí mismo; esa lente aparecerá negra. Sin embargo, la otra lente (la del ojo cerrado) tendrá la polarización circular correcta, lo que permitirá que el ojo abierto vea con claridad el ojo cerrado.

Todas las antenas de radio (y microondas) utilizadas para transmitir o recibir están intrínsecamente polarizadas. Transmiten (o reciben señales) con una polarización específica, siendo totalmente insensibles a la polarización opuesta; en ciertos casos, dicha polarización depende de la dirección. La mayoría de las antenas tienen polarización lineal nominal, pero también existe la posibilidad de polarización elíptica o circular. En el caso de la polarización lineal, es posible aplicar el mismo tipo de filtrado descrito anteriormente. En el caso de la polarización elíptica (la polarización circular es, en realidad, un tipo de polarización elíptica donde la longitud de ambos factores de elasticidad es la misma), filtrar un solo ángulo (por ejemplo, 90°) prácticamente no tendrá impacto, ya que la onda puede estar en cualquier punto de los 360 grados.

La gran mayoría de las antenas tienen polarización lineal. De hecho, se puede demostrar, mediante consideraciones de simetría, que una antena situada completamente en un plano que incluye al observador, solo puede tener su polarización en la dirección de dicho plano. Esto se aplica a muchos casos, lo que permite inferir fácilmente la polarización de dicha antena en la dirección de propagación prevista. Así, una típica antena Yagi o logarítmica periódica de azotea con conductores horizontales, vista desde una segunda estación hacia el horizonte, tiene necesariamente polarización horizontal. Sin embargo, una antena vertical tipo látigo o una torre de transmisión AM utilizada como elemento de antena (de nuevo, para observadores desplazados horizontalmente) transmitirá con polarización vertical. Una antena de torniquete con sus cuatro brazos en el plano horizontal también transmite radiación con polarización horizontal hacia el horizonte. No obstante, cuando esa misma antena de torniquete se utiliza en modo axial (hacia arriba, para la misma estructura orientada horizontalmente), su radiación tiene polarización circular. A elevaciones intermedias, tiene polarización elíptica.

La polarización es importante en las radiocomunicaciones porque, por ejemplo, si se intenta usar una antena de polarización horizontal para recibir una transmisión de polarización vertical, la intensidad de la señal se reducirá considerablemente (o, en condiciones muy controladas, se anulará por completo). 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 puede utilizarse para dos señales transmitidas con polarizaciones opuestas. Ajustando la antena receptora para una u otra polarización, se puede seleccionar cualquiera de las señales sin interferencia de la otra.

Debido principalmente a la presencia del suelo , existen diferencias en la propagación (y también en las reflexiones responsables del efecto fantasma en la televisión ) entre las polarizaciones horizontal y vertical. La radiodifusión AM y FM suele utilizar polarización vertical, mientras que la televisión utiliza polarización horizontal. En bajas frecuencias, en particular, 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, las cuales tienden a cancelarse mutuamente. Este problema se evita con la polarización vertical. La polarización también es importante en la transmisión de pulsos de radar y la recepción de reflexiones de radar por la misma antena o por una diferente. Por ejemplo, la retrodispersión de pulsos de radar por gotas de lluvia se puede evitar utilizando polarización circular. Así como la reflexión especular de la luz polarizada circularmente invierte la quiralidad de la polarización, como se mencionó 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 , junto con el campo magnético terrestre , provoca la rotación de Faraday , una especie de birrefringencia circular. Este es el mismo mecanismo que puede rotar el eje de polarización lineal de los electrones en el espacio interestelar, como se menciona más adelante . La magnitud de la rotación de Faraday causada por dicho plasma se exagera enormemente a bajas frecuencias, por lo que a 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 en 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 con una orientación arbitraria en el receptor.

Muchos animales son capaces de percibir algunos de los componentes de la polarización de la luz, por ejemplo, la luz polarizada horizontalmente de forma lineal. Esto se utiliza generalmente para fines de navegación, ya que la polarización lineal de la luz del cielo siempre es perpendicular a la dirección del sol. Esta capacidad es muy común entre los insectos , incluidas las abejas , que utilizan esta información para orientar sus danzas comunicativas . ^{[ 38 ] : 102–103} La sensibilidad a la polarización también se ha observado en especies de pulpo , calamar , sepia y camarón mantis . ^{[ 38 ] : 111–112} En este último caso, una especie, Gonodactylus smithii , mide los seis componentes ortogonales de la polarización y se cree que tiene una visión de polarización óptima. ^{[ 39 ]} Los patrones de piel de colores vivos y de rápido cambio de la sepia, utilizados para la comunicación, también incorporan patrones de polarización, y se sabe que el camarón mantis tiene tejido reflectante selectivo a la polarización. Se creía que las palomas percibían la polarización del cielo , lo que se asumía que era una de sus ayudas para orientarse , pero las investigaciones indican que esto es un mito popular. ^{[ 40 ]}

El ojo humano , sin filtros, es débilmente sensible a la polarización. 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. ^{[ 38 ] : 118}

Es bien sabido que la radiación electromagnética transporta cierto momento lineal en la dirección de propagación. Además, la luz transporta cierto momento angular si está polarizada circularmente (o parcialmente). En comparación con frecuencias más bajas, como las microondas, la cantidad de momento angular en la luz , incluso con polarización circular pura, en comparación con el momento lineal de la misma onda (o presión de radiación ), es muy pequeña y difícil incluso de medir. Sin embargo, se utilizó en un experimento para alcanzar velocidades de hasta 600 millones de revoluciones por minuto. ^{[ 41 ] [ 42 ]}