Polarisaatio

Polarisaatio on poikittaiseen aaltoliikkeeseen liittyvä käsite, jolla tarkoitetaan aaltoliikkeen värähtelyjen amplitudin suuntariippuvuutta aallon etenemissuuntaan nähden kohtisuorassa tasossa. Poikittaiset mekaanisetkin aallot voivat olla polarisoituneita, mutta tavallisimmin polarisaatiosta puhutaan valon tai muun sähkömagneettisen säteilyn yhteydessä. Étienne-Louis Malus ensimmäisenä löysi valon polarisoitumisen sen heijastuessa pinnasta.

Polarisaatio värähtelevässä kumilangassa. Kuvan alaosassa langan värähtelyliike on ympyräpolarisoitunut mutta polarisaattorina toimivan kapean raon toisella puolella värähtely on tasopolarisoitunut raon tasossa.

Sähkömagneettisen säteilyn sähkö- (ja magneettikenttä) värähtelevät säteilyn etenemissuuntaan nähden kohtisuorassa tasossa. Polarisaatio kertoo, miten sähkökenttävektorin suunta käyttäytyy tässä tasossa. Polarisaation erikoistapauksia ovat mm. polarisoitumattomuus, lineaarinen- ja ympyräpolarisaatio.

Tavanomaisen valolähteen, kuten lampun ja kynttilän, lähettämässä valossa sähkö- ja magneettikenttä värähtelevät satunnaisesti kaikkiin suuntiin eli valo on polarisoitumatonta. Sinitaivaan valo on heikosti polarisoitunutta. Nestekidenäytöissä on polarisoiva kalvo, jonka takia niiden lähettämä valo on voimakkaasti polarisoitunutta. Jotkut ihmiset pystyvät havaitsemaan polarisaation paljain silmin Haidingerin lyhteen avulla.

Jos sähkökenttä värähtelee vain yhteen suuntaan, valon sanotaan olevan täysin polarisoitunutta. Tavallisesti polarisoidusta valosta puhuttaessa tarkoitetaan tasopolarisoitua (lineaarista) valoa.

• Lineaarisesti polarisoituneen sähkömagneettisen säteilyn sähkökentän E värähtelysuunta $\mathbf {\hat {e}}$ on paikan r ja ajan t funktiona vakio, ts.

$\mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)=E(\mathbf {r} )\cos(\omega t)\mathbf {\hat {e}} ,$

missä $\mathbf {\hat {e}}$ on säteilyn etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa tasossa oleva yksikkövektori ja $\omega$ on säteilyn kulmataajuus.

• Ympyräpolaroituneessa tapauksessa sähkökentän amplitudin normi E on vakio, mutta sähkökenttävektori kiertyy paikan ja ajan funktiona tasaisella kulmanopeudella $\omega$ kentän etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa tasossa, esimerkiksi

$\mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)=E(\mathbf {r} )\cos(\omega t)\mathbf {\hat {i}} +E(\mathbf {r} )\sin(\omega t)\mathbf {\hat {j}} ,$

missä yksikkövektorit $\mathbf {\hat {i}}$ ja $\mathbf {\hat {j}}$ ovat sekä toisiaan että säteilyn etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa. Polarisaatio voi olla oikea- tai vasenkätistä sen mukaan muodostavatko yksikkövektorien suunnat ja etenemissuunta oikea- vai vasenkätisen koordinaatiston.

Polarisaatiota voi aiheuttaa aallon heijastuminen eristeestä kuten lasista tai vedestä tai aallon kulkeminen erittäin ohuen raon läpi. Valo polarisoituu myös kulkiessaan tietyistä aineista koostuvien kiteiden läpi, ja tällaisista aineista voidaankin valmistaa polarisaattori. Radioaaltoja voidaan polarisoida eri tavoin lähetysantennien avulla.

Metallipinnasta heijastunut valo polarisoituu erittäin heikosti.

Jos polarisoitumaton valo kokonaisheijastuu kahden optisesti läpinäkyvän väliaineen rajapinnasta, se on edelleenkin polarisoitumatonta. Valo polarisoituu silloin, kun se tulee vinosti väliaineiden rajapintaan, jossa se heijastuu ja mahdollisesti taittuu. Tällöin sekä heijastunut- että taittunut valo ovat osittain polarisoituneet.

Linear polarization diagram

Lineaarisesti polarisoitunut aalto (tasopolarisoitunut)

Circular polarization diagram

Ympyräpolarisoitunut aalto

Elliptical polarization diagram

Elliptisesti polarisoitunut aalto

Brewsterin kulma

Jos säteily tulee rajapinnalle sellaisessa kulmassa $\theta _{B}$, että heijastunut säteily ja taittunut säteily muodostavat suoran kulman, heijastunut säteily polarisoituu törmäyspinnan suunnassa. Kulma $\theta _{B}$ on nimeltään Brewsterin kulma. Se voidaan laskea yhtälöstä

$\tan \theta _{B}={\frac {n_{2}}{n_{1}}},$

missä $n_{2}$ ja $n_{1}$ ovat aineiden taitekertoimet. Läpinäkyvän aineen taitekerroin voidaan määrittää mittaamalla sen Brewsterin kulma kun valo tulee siihen esimerkiksi ilmasta.

Käytännön sovelluksia

• Polarisoivissa aurinkolaseissa on molekyyliverkosto, joka päästää lävitseen vain pystytasossa värähtelevää valoa. Tämä siksi, että sileistä vaakasuorista pinnoista, esimerkiksi vedestä heijastunut valo on enimmäkseen vaakapolarisoitunutta joten pystypolarisoivat linssit eivät päästä sitä läpi.

• Koska tutkan kapea säteilykeila mahtuu yleensä kokonaan sadealueen alalle siitä syntyy kaiku, joka sisältää kaikki alkuperäiset antennin tekemät polarisaatiotasot, varsinkin kun partikkelit korkealla useimmiten ovat jääkiteitä. Polarisaatiotasot vain heijastuessaan kääntyvät peilikuvikseen. Siksi lennonvarmennustutkan sadevälkkeen vaimennus tehdään mm. aiheuttamalla kiertopolarisaatio, joka heijastuessaan on kiertosuunnaltaan kääntynyt "väärän" suuntaiseksi eikä siis kunnolla läpäise antennin kiertopolarisaattoria. Vaimennus on 20–30 dB. (Lineaarinen, vaikkapa vaakapolarisaatio, kääntyy myös peilikuvakseen, mutta on silti edelleen vaakapolarisaatio.) Kaikki hyötymaalit, kuten lentokoneet, aiheuttavat kaikusäteilyyn elliptisyyttä ja sen lineaarinen komponentti läpäisee polarisaattorin. Syntynyt hyötymaalien vaimennus on vain n. 3 dB.
• Moderni säätutka on kaksoispolarisaatiotutka, joka mittaa sekä pysty- että vaakapolarisaation sirontaa ja erottelee ne. Eroista päätellään monia asioita sirottajien laadusta. Litistyneestä sadepisarasta heijastuu vaakapolarisoitunut lähete hiukan pystypolarisoitunutta voimakkaammin. Jääkiteellä tai rakeella tilanne on toisin.

• Polarisaatiota käytetään hyväksi myös tietokoneiden, laskimien ja matkapuhelimien nestekidenäytöissä. Auton takalasin jännitykset saadaan näkyviin polarisoivilla aurinkolaseilla. Mehiläiset puolestaan käyttävät sinitaivaan polarisoitumista hyväkseen suunnistaessa.

• Rapatroninen kamera

• Satelliittilautasten polttopisteessä on osa, joka vastaanottaa satelliitin lähetystä joko pysty- tai vaakapolarisaatiolla, jotta satelliitti pystyy lähettämään kaksi eri lähetystä täsmälleen samalla mikroaaltojen aallonpituudella.

• Kvanttisalaus joko vapaassa tilassa tapahtuvan optisen tiedonsiirron tai valokaapelin yhteydessä.

Katso myös

• Optinen aktiivisuus
• Kahtaistaittuminen
• Aaltolevy

Kirjallisuutta

• Sihvola, Ari; Lindell, Ismo: Sähkömagneettinen kenttäteoria 2. Dynaamiset kentät. Helsinki: Otatieto, 2013. ISBN 978-951-672-371-5

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Polarisaatio Wikimedia Commonsissa