โพลาไรเซชน (Polarization)

โพลาไรเซชนคอการทคลนมระนาบการสนของอนภาคหรอมสนามแมเหลกหรอสนามไฟฟาเพยงระนาบเดยว โพลาไรเซชนเปนสมบตของคลนตามขวาง

ภาพเคลอนไหว

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/polarizedlight/filters/

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/electromagnetic/index.html

แหลงกาเนดแสงประกอบดวยโมเลกลจานวนมากซงแตละโมเลกลหรออะตอม จะแผคลนแสงอยางอสระในทศทางตาง ๆ กน

โดยทวไปแสงสวางเปนคลนแมเหลกไฟฟาทมเวกเตอรของสนามไฟฟาและสนามแมเหลกกระจายรอบทศในแนวตงฉากกบแนวการเคลอนทของแสง ดงรป

ทศการโพลาไรซของคลนแมเหลกไฟฟากาหนดดวยทศของสนามไฟฟาทกาลงสนอย โดยปกตจะสนอยรอบทศทาง จงเปนแสงทไมโพลาไรซ

รป แสดงเวกเตอรของสนามไฟฟาทไมโพลาไรซ

Quarter wave plate

สนามไฟฟารอบประจทออสซลเลต

สาหรบแสงททามมใด ๆ กบแกน x หรอแกน y เราอาจแยกองคประกอบใหอยในแนวแกน x และ แกน y ได เราจงอาจเขยนเวกเตอรแสงทไมโพลาไรซในรปสองแกนได ดงรป

-ถาการสนททาใหเกดแสงเพยงแกนเดยวแสงทเกดขนเรยกวา แสงทเกดโพลาไรซแลว (polarized light)

-ปกตแสงจากดวงอาทตยหรอหลอดไฟมระนาบโพลาไรเซชน หลายระนาบ ดงรป ก.

-ระนาบโพลาไรเซชนอาจเขยนไดดวยรป ข.

-คลนแสงบนระนาบเหลาน อาจพจารณาไดวาเปนผลรวมของ คลนใน 2 ระนาบทตงฉากกนและเปนอสระจากกน ดงรป ค

คค.. ระนาบโพลาไรเซระนาบโพลาไรเซชนชน 22 ระนาบทระนาบทเปนอสระจากกนเปนอสระจากกน

ขข.. ระนาบโพลาระนาบโพลาไรเซชนไรเซชน

กก.. ระนาบโพลาไรเซชนหลายระนาบโพลาไรเซชนหลายระนาบระนาบ

-แสงทมสนามไฟฟาเพยงระนาบเดยวเรยกวาแสงโพลาไรซ

*ปรากฏการณทสนามไฟฟาถกทาใหมเพยงระนาบเดยวเรยกวา โพลาไรเซชนของแสง

-ระนาบของการสนของสนามไฟฟานเรยกวาระนาบโพลาไรเซชน

รป แสดงเวกเตอรของสนามไฟฟาเมอผานโพลารอยด 1 แผน

รป แสดงเวกเตอรของสนามไฟฟาเมอผานโพลารอยด 2 แผน

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/polarizedlight/filters ภาพเคลอนไหว

วธทาใหแสงไมโพลาไรซเกดการโพลาไรซ มดงน

1. การโพลาไรซดวยการดดกลน โดยใหแสงผานโพลารอยดซงมสมบตยอมใหแสงผานไดเฉพาะทมระนาบขนานหรอตรงกบแกน(ของการทะลผาน)ของแผนโพรลารอยด(สวนแสงในระนาบอนสามารถแยกออกเปน 2 ระนาบตามหลกการแยกเวกเตอร)

-โดยปกตมกจะใชแผนโพลารอยดเปนแผนทาแสงโพลาไรซ(polarizer) และแผนวเคราะห (analyzer)

รป แสงไมโพลาไรซผานผลกทวรมาลน

-ผลกไดคลอรก (dichroric) หรอผลกทวรมาลน (tourmaline) มสมบตในการดดกลนแสงทมเวกเตอรของสนามไฟฟาในทศ หนงมากกวาอกทศหนง

-ตอมานกวทยาศาสตรไดสรางผลกซงเปนสารประกอบอนทรยไอโอซลเฟตของควนนและพฒนามาเปนแผนโพลารอยด

รป โพลาไรเซชนเมอใหแสงผานแผนโพลารอยด

“ความเขมแสงทผานแผนโพลารอยดไปไดจะเปนปฏภาคตรงกบกาลงสองของโคไซนของมมระหวางแผนทาแสงโพลาไรซกบแผนวเคราะหแสงโพลาไรซ”

กฎของมาลส (Malus , law) กลาววา

MALUS, LAW

A crossed polarizer and analyzer

Light reaches the photocell when a piece Light reaches the photocell when a piece of polarizing material is inserted between of polarizing material is inserted between the polarizer an analyzerthe polarizer an analyzer

θcosE

Light reaches the photocell when a piece Light reaches the photocell when a piece of polarizing material is inserted between of polarizing material is inserted between the polarizer an analyzerthe polarizer an analyzer

The component of the electric field parallel to transmission axis of insert is

.

Light incident on the analyzer hasa component

parallel to its transmission axis.

θθ sin)cos(E

-ถากาหนดใหแสงไมโพลาไรซผานผลกแผนแรกทเรยกวา โพลาไรเซอร(polarizer)

-แสงผานผลกแผนทสองซงเรยกวาแผนวเคราะห (analyzer) :

ซงทามม กบโพลาไรเซอรแผนแรก

-แสงทผานแผนโพลาไรเซอรแผนแรกมความเขมสนามไฟฟา E

θ

-องคประกอบของ E ทผานแผนวเคราะหไปได คอ θcosE

-สวนองคประกอบ ทตงฉากกบแนวแกนของแผน วเคราะหนนผานไปไมได

θsinE

-หมนแผนวเคราะหแสงโพลาไรซ (analyzer) ทามม กบ แกนแผนโพลาไรเซอร แสงทออกมามความเขมสนามไฟฟา Ep

-ใหแสงทผานแผนทาแสงโพลาไรซ (polarizer) ออกมาเปน แสงโพลาไรซ มความเขมสนามไฟฟา E

θ

θcosEE p =

θcosEE p =

θ222 cosEE p =

ความเขมแสง

,2EIα

จะได *2pp kEI = (หลงการผานแผนวเคราะห)

*2kEI = กอนผานแผนวเคราะห

20 )cos( θEkI dtransmitte =

θ220 coskEI dtransmitte =

.

k is a proportional constant. But is proportional to intensity of light incident on the analyzer ,

20kEIincident =

θ2cosincidentdtransmitte II =

20E

เมอให Iincident เปนความเขมของแสงกอนผานแผนวเคราะหItransmitted เปนความเขมของแสงหลงผานแผนวเคราะห

จะได ความเขมแสงหลงผานแผนวเคราะห

θ2cosincidentdtransmitte II =

MALUS, LAW

ถาให I0 เปนความเขมแสงกอนตกกระทบแผนโพลาไรเซอรซงเปนแสงไมโพลาไรซ โดยท I0 = 2 I

ตวอยาง แผนโพลาไรเซอรจะตองวางทามมเทาใดกบแผนวเคราะหจงจะทาใหความเขมแสงลดลงเหลอ 0.25 เทาของแสงตกกระทบซงไมโพลาไรซ

จากรป ให I = Iincident ทตกกระทบแผนวเคราะห

ซงอยในแนวแกนของโพลาไรเซอรIP = Itransmitted ทผานแผนวเคราะห

แสงทไมโพลาไรซมความเขม = I0 = 2I

จะไดแสงทผานโพลาไรเซอร มความเขม I

จากθ2cos5.0 II = θ2cosincidentdtransmitte II =

,21cos2 =θ

o45cos2

1cos ==θ

o45 ดงนน =θ

โจทยกาหนด Itransmitted = 0.25 I0 = 0.25 (2I) = 0.5I

θ2cos5.0 II =

2. การโพลาไรซดวยการสะทอน เมอใหแสงทไมโพลารไรซตกกระทบ ผวสะทอนทเปนวตถโปรงใส เชน แผนแกว หรอผวนา จะเกดการสะทอนและการหกเหของแสงโดยแสงสวนใหญจะหกเห แสงสะทอนจะเปนแสงโพลาไรซ 100 % เมอ

- มมตกกระทบเทากบมมการโพลาไรซหรอเรยกวามมบรวสเตอร (Brewster angle)

-มมระหวางรงสสะทอนและรงสหกเห = 90°

ความสมพนธระหวางมม θpกบคาดชนหกเหของตวกลางคอ

1

2tannn

p =θ

รป แสงทไมโพลาไรซตกกระทบผวสะทอน

o902 =+ θθ p

pθθ −= o902

จากการหกเห

21

2

sinsin

θθ p

nn

=

)90sin(sin

1

2

p

p

nn

θθ−

=o

pp

p

nn

θθθ

tancossin

1

2 ==

pp

p

nn

θθθ

tancossin

1

2 ==

3. การโพลาไรซโดยการหกเหสองแนว ผลกของแขงบางชนดเชน แคลไซท(calcite ) ควอทซ (quartz) จะพบวาความเรวของแสงในผลกเหลานไมคงทขนอยกบคาดรรชนหกเหของผลก เรยกผลกประเภทนวาผลกดรรชนหกเหค (double refracting crystal) หรอเรยกวาผลกไบรฟรงเจน (birefringentcrystal)

รป(1) แสงไมโพลาไรซเคลอนทผานผลกแคลไซทเกดการหกเหค

รป (2) แสงหกเหรงส oและรงส E

-เมอแสงไมโพลาไรซเคลอนทเขาไปในผลกแคลไซท แสงจะหกเหเปนสองแนว ดงรป(1)

-โดยทงคเปนแสงทโพลาไรซ ทเคลอนทดวยความเรวไมเทากน แตทศของการโพลาไรซยงคงตงฉากกบทศการเคลอนทของแสง

-แสงทหนงเรยกวารงส o (ordinary ray) ซงเลยวเบนตามคาดรรชนหกเห no กลาวคอเทากนทศทาง แสดงรปการโพลาไรซเปนวงกลม ดงรป

-แสงหกเหอกรงสหนงคอรงส E (extraordinary ray) เคลอนทดวยความเรวตางกนตามคาดรรชนหกเห nE

-ซงเปลยนไปตามทศของการเคลอนทของแสง ดงรป มหนาคลนเปนวงร

-จะมแนวหนงทเรยกวาแนวแกนแสงทคาดรรชนหกเห no= nE ความเรวแสงในทงสองแนวจะมคามากทสดเมอทศทางการเคลอนทตงฉากกบแนวแกนแสง

Classification of Polarization

Linear Polarization

Circular Polarization

Elliptical Polarization

ผลของการหกเหสองแนวจะนาไปใชประโยชนในการออกแบบโครงสราง หลงจากการศกษาแรงกระทาหรอแรงเคนทเกดในแบบจาลองโครงสรางนน ๆ

เชนใชพลาสตกบางชนดทาเปนโครงสรางนน ๆ แลวออกแรงตามแนวทโครงสรางจะถกกระทา เมอแสงผานพลาสตกนกจะเกดการหกเหสองแนว ทาใหเฟสตางกน เมอผานแผนโพลารอยดแผนทสองกจะแทรกสอดกนเหนรวรอยทถกแรงกระทาเปนลวดลายมดสวาง นามาวเคราะหโครงสรางทเสยงตอการแตกหกเพอจะไดแกไขได

4. การโพลาไรซโดยการกระเจง เมอแสงตกกระทบวสดใด ๆ อเลกตรอนในวสดนนสามารถดดกลนและเปลงแสงบางสวน ออกมาได ปรากฏการณเชนนไดแกการทแสงอาทตยถกโมเลกลของอากาศดดกลนไวแลวเปลงแสงบางสวนทมการโพลาไรซออกมา ปรากฏการณนเรยกวาการกระเจง (scattering)

รป แสดงเมอแสงอาทตยมการโพลาไรซบางสวน ไดแสงทเคลอนทในแนวราบและชนโมเลกลของอากาศทาใหอเลกตรอนในโมเลกลสน การสนของอเลกตรอนทาหนาทคลายกบเสาอากาศ สมมตอเลกตรอนสนในแนวราบ แสงทกระเจงจะมการโพลาไรซในแนวราบเชนกน