Polarizador

Ciertos cristales , debido a los efectos descritos por la óptica cristalina , presentan dicroísmo , es decir, una absorción preferencial de la luz polarizada en direcciones específicas. Por lo tanto, pueden utilizarse como polarizadores lineales. El cristal más conocido de este tipo es la turmalina . Sin embargo, este cristal rara vez se utiliza como polarizador, ya que el efecto dicroico depende en gran medida de la longitud de onda y el cristal presenta coloración. La herapacita también es dicroica y no tiene una coloración intensa, pero es difícil obtener cristales de gran tamaño.

Un filtro polarizador Polaroid funciona de manera similar, a escala atómica, al polarizador de rejilla metálica. Originalmente, estaba hecho de cristales microscópicos de herapatita. Su forma actual, en forma de lámina H, está hecha de plástico de alcohol polivinílico (PVA) dopado con yodo . El estiramiento de la lámina durante la fabricación provoca que las cadenas de PVA se alineen en una dirección específica. Los electrones de valencia del dopante de yodo pueden moverse linealmente a lo largo de las cadenas de polímero, pero no transversalmente a ellas. Por lo tanto, la luz incidente polarizada paralelamente a las cadenas es absorbida por la lámina; la luz polarizada perpendicularmente a las cadenas se transmite. La durabilidad y practicidad de Polaroid lo convierten en el tipo de polarizador más común, por ejemplo, en gafas de sol , filtros fotográficos y pantallas de cristal líquido . Además, es mucho más económico que otros tipos de polarizadores.

Un tipo moderno de polarizador absorbente está hecho de nanopartículas de plata alargadas incrustadas en  placas de vidrio delgadas (≤0,5 mm). Estos polarizadores son más duraderos y pueden polarizar la luz mucho mejor que la película Polaroid de plástico, logrando relaciones de polarización de hasta 100 000:1 y una absorción de luz correctamente polarizada de tan solo el 1,5 %. ^{[ 5 ]} Estos polarizadores de vidrio funcionan mejor para la luz infrarroja de onda larga y se utilizan ampliamente en la comunicación por fibra óptica .

Los polarizadores divisores de haz dividen el haz incidente en dos haces con polarización lineal diferente . En un divisor de haz ideal, estos haces estarían completamente polarizados, con polarizaciones ortogonales. Sin embargo, en muchos polarizadores divisores de haz comunes, solo uno de los dos haces de salida está completamente polarizado. El otro contiene una mezcla de estados de polarización.

A diferencia de los polarizadores absorbentes, los polarizadores divisores de haz no necesitan absorber ni disipar la energía del estado de polarización rechazado, por lo que son más adecuados para su uso con haces de alta intensidad, como la luz láser . Los divisores de haz polarizadores verdaderos también son útiles cuando se requiere analizar o utilizar simultáneamente los dos componentes de polarización.

Polarización por reflexión de Fresnel

Cuando la luz se refleja (por reflexión de Fresnel) en un ángulo determinado en la interfaz entre dos materiales transparentes, la reflectividad es diferente para la luz polarizada en el plano de incidencia y la luz polarizada perpendicularmente a este. Se dice que la luz polarizada en el plano es polarizada en p , mientras que la polarizada perpendicularmente a este es polarizada en s . En un ángulo especial conocido como ángulo de Brewster , no se refleja luz polarizada en p desde la superficie; por lo tanto, toda la luz reflejada debe ser polarizada en s , con un campo eléctrico perpendicular al plano de incidencia.

Un polarizador lineal simple se puede construir inclinando una pila de placas de vidrio en el ángulo de Brewster con respecto al haz. Parte de la luz polarizada en s se refleja en cada superficie de cada placa. Para una pila de placas, cada reflexión reduce la cantidad de luz polarizada en s del haz incidente , dejando una mayor fracción de luz polarizada en p en el haz transmitido en cada etapa. Para la luz visible en el aire y el vidrio típico, el ángulo de Brewster es de aproximadamente 57°, y alrededor del 16% de la luz polarizada en s presente en el haz se refleja en cada transición de aire a vidrio o de vidrio a aire. Se necesitan muchas placas para lograr incluso una polarización mediocre del haz transmitido con este método. Para una pila de 10 placas (20 reflexiones), se transmite aproximadamente el 3% (=  (1  −  0,16) ²⁰ ) de la luz polarizada en s . El haz reflejado, aunque completamente polarizado, se dispersa y puede no ser muy útil.

Se puede obtener un haz polarizado más útil inclinando la pila de placas en un ángulo más pronunciado con respecto al haz incidente. Contrariamente a lo que podría pensarse, el uso de ángulos de incidencia mayores que el ángulo de Brewster produce un mayor grado de polarización del haz transmitido , a costa de una menor transmisión general. Para ángulos de incidencia mayores de 80°, la polarización del haz transmitido puede alcanzar casi el 100% con tan solo cuatro placas, aunque la intensidad transmitida es muy baja en este caso. ^{[ 6 ]} Añadir más placas y reducir el ángulo permite lograr un mejor equilibrio entre transmisión y polarización.

Debido a que sus vectores de polarización dependen del ángulo de incidencia, los polarizadores basados ​​en la reflexión de Fresnel tienden inherentemente a producir polarización s - p en lugar de polarización cartesiana, lo que limita su uso en algunas aplicaciones.

Polarizadores birrefringentes

Otros polarizadores lineales aprovechan las propiedades birrefringentes de cristales como el cuarzo y la calcita . En estos cristales, un haz de luz no polarizada que incide sobre su superficie se divide por refracción en dos rayos. La ley de Snell se cumple para ambos rayos: el ordinario (rayo o ) y el extraordinario ( rayo e ) , cada uno con un índice de refracción diferente (lo que se conoce como doble refracción). En general, los dos rayos tendrán estados de polarización distintos, aunque no necesariamente polarización lineal, salvo en ciertas direcciones de propagación con respecto al eje del cristal.

Un prisma de Nicol fue un tipo primitivo de polarizador birrefringente, que consiste en un cristal de calcita dividido y vuelto a unir con bálsamo de Canadá . El cristal se corta de tal manera que los rayos o y e se encuentran en estados de polarización lineal ortogonales. La reflexión interna total del rayo o ocurre en la interfaz con el bálsamo, ya que experimenta un índice de refracción mayor en la calcita que en el bálsamo, y el rayo se desvía hacia un lado del cristal. El rayo e , que ve un índice de refracción menor en la calcita, se transmite a través de la interfaz sin desviarse. Los prismas de Nicol producen una pureza muy alta de luz polarizada y se utilizaron ampliamente en microscopía , aunque en el uso moderno han sido reemplazados en su mayoría por alternativas como el prisma de Glan-Thompson , el prisma de Glan-Foucault y el prisma de Glan-Taylor . Estos prismas no son verdaderos divisores de haz polarizantes, ya que solo el haz transmitido está completamente polarizado.

Un prisma de Wollaston es otro polarizador birrefringente que consta de dos prismas triangulares de calcita con ejes cristalinos ortogonales cementados entre sí. En la interfaz interna, un haz no polarizado se divide en dos rayos polarizados linealmente que salen del prisma con un ángulo de divergencia de 15°–45°. Los prismas de Rochon y Sénarmont son similares, pero utilizan orientaciones de ejes ópticos diferentes . El prisma de Sénarmont tiene un espacio de aire, a diferencia de los prismas de Wollaston y Rochon. Estos prismas realmente dividen el haz en dos haces completamente polarizados con polarizaciones perpendiculares. El prisma de Nomarski es una variante del prisma de Wollaston, que se utiliza ampliamente en la microscopía de contraste de interferencia diferencial .

Existen varias maneras de generar luz polarizada circularmente. La más económica y común consiste en colocar una lámina de cuarto de onda después de un polarizador lineal y dirigir luz no polarizada a través de este último. La luz polarizada linealmente que sale del polarizador se transforma en luz polarizada circularmente mediante la lámina de cuarto de onda. El eje de transmisión del polarizador lineal debe estar a medio camino (45°) entre los ejes rápido y lento de la lámina de cuarto de onda.

En la configuración anterior, el eje de transmisión del polarizador lineal forma un ángulo positivo de 45° con respecto a la horizontal derecha y se representa con una línea naranja. La lámina de cuarto de onda tiene un eje lento horizontal y un eje rápido vertical, que también se representan con líneas naranjas. En este caso, la luz no polarizada que incide sobre el polarizador lineal se muestra como una sola onda cuya amplitud y ángulo de polarización lineal cambian repentinamente.

Cuando se intenta hacer pasar luz no polarizada a través del polarizador lineal, solo la luz cuyo campo eléctrico forma un ángulo positivo de 45° sale del polarizador y entra en la lámina de cuarto de onda. En la ilustración, las tres longitudes de onda de luz no polarizada representadas se transformarían en las tres longitudes de onda de luz polarizada linealmente al otro lado del polarizador lineal.

En la ilustración de la derecha se muestra el campo eléctrico de la luz polarizada linealmente justo antes de que entre en la lámina de cuarto de onda. La línea roja y los vectores de campo asociados representan cómo varía la magnitud y la dirección del campo eléctrico a lo largo de la dirección de propagación. Para esta onda electromagnética plana, cada vector representa la magnitud y la dirección del campo eléctrico en un plano completo perpendicular a la dirección de propagación. (Consulte estas dos imágenes en el artículo sobre ondas planas para comprender mejor este concepto).

La luz y todas las demás ondas electromagnéticas tienen un campo magnético que está en fase con el campo eléctrico que se muestra en estas ilustraciones, y es perpendicular a este.

Para comprender el efecto de la lámina de cuarto de onda sobre la luz polarizada linealmente, es útil imaginar que la luz se divide en dos componentes perpendiculares ( ortogonales ) entre sí. Para ello, las líneas azul y verde son proyecciones de la línea roja sobre los planos vertical y horizontal, respectivamente, y representan cómo cambia el campo eléctrico en la dirección de dichos planos. Las dos componentes tienen la misma amplitud y están en fase.

Debido a que la lámina de cuarto de onda está hecha de un material birrefringente , cuando la luz la atraviesa, viaja a diferentes velocidades según la dirección de su campo eléctrico. Esto significa que la componente horizontal, que se encuentra a lo largo del eje lento de la lámina, viajará a menor velocidad que la componente dirigida a lo largo del eje rápido vertical. Inicialmente, ambas componentes están en fase, pero a medida que viajan a través de la lámina, la componente horizontal se retrasa con respecto a la vertical. Ajustando el grosor de la lámina, se puede controlar el retraso de la componente horizontal con respecto a la vertical antes de que la luz la abandone y vuelvan a viajar a la misma velocidad. Cuando la luz sale de la lámina de cuarto de onda, la componente horizontal derecha estará exactamente un cuarto de longitud de onda por detrás de la vertical, lo que hace que la luz esté polarizada circularmente a la izquierda cuando se observa desde el receptor. ^{[ 11 ]}

En la parte superior derecha de la ilustración se observa la luz polarizada circularmente tras salir de la lámina de onda. Justo debajo, a modo de comparación, se muestra la luz polarizada linealmente que entró en la lámina de cuarto de onda. En la imagen superior, al tratarse de una onda plana, cada vector que va desde el eje hasta la hélice representa la magnitud y la dirección del campo eléctrico en un plano perpendicular a la dirección de propagación. Todos los vectores del campo eléctrico tienen la misma magnitud, lo que indica que la intensidad del campo eléctrico no varía. Sin embargo, la dirección del campo eléctrico gira de forma constante.

Las líneas azules y verdes son proyecciones de la hélice sobre los planos vertical y horizontal, respectivamente, y representan cómo cambia el campo eléctrico en la dirección de dichos planos. Observe cómo la componente horizontal derecha se encuentra ahora un cuarto de longitud de onda por detrás de la componente vertical. Este desfase de un cuarto de longitud de onda es lo que da lugar a la naturaleza rotacional del campo eléctrico. Cuando la magnitud de una componente es máxima, la magnitud de la otra es siempre cero. Por esta razón, existen vectores helicoidales que corresponden exactamente a los máximos de ambas componentes.

En el caso citado, utilizando la convención de polarización circular empleada en muchos libros de texto de óptica, la luz se considera polarizada circularmente en sentido antihorario (o levógira). Como se muestra en la animación adjunta, se considera polarizada en sentido antihorario porque, si se apunta el pulgar izquierdo en dirección opuesta a la propagación, los dedos se curvan en la dirección en que gira el campo eléctrico al pasar la onda por un punto determinado en el espacio. La hélice también forma una hélice levógira en el espacio. De manera similar, esta luz se considera polarizada circularmente en sentido antihorario porque, si un observador estacionario mira en dirección opuesta a la propagación, observará que su campo eléctrico gira en sentido antihorario al pasar la onda por un punto determinado en el espacio. ^{[ 11 ]}

Para generar luz polarizada circularmente en sentido horario y con polarización a la derecha, basta con girar el eje de la lámina de cuarto de onda 90° con respecto al polarizador lineal. Esto invierte los ejes rápido y lento de la lámina de onda con respecto al eje de transmisión del polarizador lineal, invirtiendo así qué componente se adelanta y cuál se retrasa.

Para comprender cómo la lámina de cuarto de onda transforma la luz polarizada linealmente, es importante tener en cuenta que los dos componentes mencionados no son entidades en sí mismas, sino meras construcciones mentales que se utilizan para comprender mejor lo que sucede. En el caso de la luz polarizada lineal y circularmente, en cada punto del espacio siempre existe un único campo eléctrico con una dirección vectorial definida; la lámina de cuarto de onda simplemente transforma este campo eléctrico.

Los polarizadores circulares también se pueden usar para absorber o dejar pasar selectivamente la luz polarizada circularmente a la derecha o a la izquierda. Esta característica es la que utilizan las gafas 3D en cines estereoscópicos como RealD Cinema . Un polarizador que crea una de las dos polarizaciones de luz dejará pasar esa misma luz polarizada cuando la luz lo atraviese en la dirección opuesta. Por el contrario, bloqueará la luz de polarización opuesta.

La ilustración anterior es idéntica a la anterior similar, con la excepción de que la luz polarizada circularmente a la izquierda ahora se acerca al polarizador desde la dirección opuesta y la luz polarizada linealmente sale del polarizador hacia la derecha.

En primer lugar, cabe destacar que una lámina de cuarto de onda siempre transforma la luz polarizada circularmente en luz polarizada linealmente. El ángulo de polarización resultante de la luz polarizada linealmente está determinado únicamente por la orientación de los ejes rápido y lento de la lámina de cuarto de onda y la quiralidad de la luz polarizada circularmente. En la ilustración, la luz polarizada circularmente a la izquierda que incide en el polarizador se transforma en luz polarizada linealmente, cuya dirección de polarización coincide con el eje de transmisión del polarizador lineal, por lo que pasa. En cambio, la luz polarizada circularmente a la derecha se habría transformado en luz polarizada linealmente, cuya dirección de polarización coincide con el eje de absorción del polarizador lineal, perpendicular al eje de transmisión, por lo que habría sido bloqueada.

Para comprender este proceso, consulte la ilustración de la derecha. Es idéntica a la anterior, aunque ahora se considera que la luz polarizada circularmente en la parte superior se aproxima al polarizador desde la izquierda. En la ilustración se observa que la componente horizontal izquierda (vista en la dirección de propagación) precede a la componente vertical, y que cuando la componente horizontal se retrasa un cuarto de longitud de onda, se transforma en la luz polarizada linealmente que se muestra en la parte inferior y atraviesa el polarizador lineal.

Hay una forma relativamente sencilla de entender por qué un polarizador que crea una determinada polarización circular también transmite esa misma polarización. Primero, dada la doble utilidad de esta imagen, imaginemos que la luz polarizada circularmente que se muestra en la parte superior sigue saliendo de la lámina de cuarto de onda y viajando hacia la izquierda. Observemos que si la componente horizontal de la luz polarizada linealmente se hubiera retardado dos veces en un cuarto de longitud de onda, lo que equivaldría a media longitud de onda completa, el resultado habría sido luz polarizada linealmente perpendicular a la luz que entró. Si dicha luz polarizada ortogonalmente se girara en el plano horizontal y se dirigiera de nuevo a través de la sección del polarizador circular, la atravesaría claramente dada su orientación. Ahora imaginemos la luz polarizada circularmente que ya ha pasado por la lámina de cuarto de onda una vez, ha dado la vuelta y se ha dirigido de nuevo hacia el polarizador circular. Que la luz polarizada circularmente ilustrada en la parte superior represente ahora esa luz. Dicha luz atravesará la lámina de cuarto de onda por segunda vez antes de llegar al polarizador lineal y, en ese proceso, su componente horizontal se retardará una segunda vez en un cuarto de longitud de onda. Ya sea que este retardo se produzca en dos pasos distintos o en media longitud de onda completa de una sola vez, la orientación de la luz polarizada linealmente resultante será tal que atraviese el polarizador lineal.

Si se tratara de luz polarizada circularmente en sentido horario y con giro a la derecha, que incidiera sobre el polarizador circular desde la izquierda, su componente horizontal también se habría retardado; sin embargo, la luz polarizada linealmente resultante se habría polarizado a lo largo del eje de absorción del polarizador lineal y no habría pasado.

Para crear un polarizador circular que, en lugar de transmitir luz polarizada a la derecha, absorba luz polarizada a la izquierda, basta con girar la lámina de onda y el polarizador lineal 90° uno respecto al otro. Es fácil apreciar que, al invertir las posiciones de los ejes de transmisión y absorción del polarizador lineal con respecto a la lámina de cuarto de onda, se modifica la polarización de la luz que se transmite y la que se absorbe.

Un polarizador circular homogéneo deja pasar sin alterar una polarización circular y bloquea la opuesta. Esto es similar a como un polarizador lineal deja pasar sin alterar un ángulo de luz polarizada linealmente, pero bloquea por completo cualquier luz polarizada linealmente que sea ortogonal a él.

Se puede crear un polarizador circular homogéneo intercalando un polarizador lineal entre dos láminas de cuarto de onda. ^{[ 12 ]} Específicamente, tomamos el polarizador circular descrito anteriormente, que transforma la luz polarizada circularmente en luz polarizada linealmente, y le agregamos una segunda lámina de cuarto de onda girada 90° con respecto a la primera.

En términos generales, y sin hacer referencia directa a la ilustración anterior, cuando cualquiera de las dos polarizaciones de la luz polarizada circularmente incide en la primera lámina de cuarto de onda, uno de los componentes ortogonales se retrasa un cuarto de longitud de onda con respecto al otro. Esto genera una de dos polarizaciones lineales, dependiendo de la quiralidad de la luz polarizada circularmente. El polarizador lineal intercalado entre las láminas de cuarto de onda está orientado de manera que permita el paso de una polarización lineal y bloquee la otra. La segunda lámina de cuarto de onda recibe la luz polarizada linealmente que pasa y retrasa el componente ortogonal que no fue retrasado por la lámina anterior. Esto restablece la relación de fase inicial entre los dos componentes, recuperando así la polarización circular seleccionada.

Cabe señalar que no importa en qué dirección se haga pasar la luz polarizada circularmente.

Los filtros polarizadores lineales fueron los primeros en utilizarse en fotografía y aún se pueden usar en cámaras no réflex y en cámaras réflex de objetivo único (SLR) antiguas. Sin embargo, las cámaras con medición a través del objetivo (TTL) y sistemas de autoenfoque —es decir, todas las SLR y DSLR modernas— dependen de elementos ópticos que dejan pasar la luz polarizada linealmente. Si la luz que entra en la cámara ya está polarizada linealmente, puede afectar a los sistemas de exposición o autoenfoque. Los filtros polarizadores circulares bloquean la luz polarizada linealmente y, por lo tanto, se pueden usar para oscurecer el cielo, mejorar la saturación y eliminar reflejos, pero la luz polarizada circularmente que dejan pasar no afecta a los sistemas de medición a través del objetivo. ^{[ 13 ]}