Işığın Polarizasyonu: Türleri, Polarizörler ve Şiddet Analizi

Polarizasyonun tanımı ve elektrik alanın enine yönü

Bir dalganın polarizasyonu, dalga ilerlerken yaptığı titreşimin yönünün belirli olmasıdır. Elektromanyetik dalgalarda polarizasyon yönü, elektrik alan vektörüne paralel yön olarak tanımlanır. Işık z doğrultusunda ilerliyorsa elektrik alanın z yönünde bileşeni bulunmaz; alan, ilerleme yönüne dik düzlemde titreşir. Manyetik alan da elektrik alanın ve ilerleme yönünün her ikisine diktir.

Elektrik alanın yönü zamanla değişse bile her anda ilerleme yönüne dik kalır. Örneğin elektrik alan yalnızca x doğrultusunda salınıyorsa ışık x doğrusal polarizasyona sahiptir. Düşey geçirme eksenine sahip bir polarizör, elektrik alanı düşey doğrultuda olan bileşeni geçirip yatay bileşeni engellediğinde olduğu gibi, belirli bir yön seçilebilir. Buna karşılık Güneş gibi birçok doğal kaynak, farklı yönlerde polarizasyonlara sahip çok sayıda dalga yayar; bu ışık polarizasyonsuz veya doğal ışık olarak adlandırılır.

Bir polarizasyon filtresinin ekseni, elektrik alanın hangi doğrultudaki bileşenini geçirdiğini belirtir. Böylece filtre, ışığın ilerleme yönünü değiştirmekten çok, o yöne dik elektrik alan titreşimleri arasından seçim yapar. Polarizasyon gözlüklerinin su ya da cam yüzeyinden gelen parlamayı azaltabilmesi bu yön seçme özelliğine dayanır.

Elektrik alan bileşenleri arasındaki genlik ve faz ilişkisi

Elektrik alan, ilerleme yönüne dik iki eksen boyunca bileşenlerine ayrılabilir. Örneğin ışık z yönünde ilerliyorsa alan Ex ve Ey bileşenleriyle ifade edilir. Polarizasyonun türünü belirleyen iki temel özellik bu bileşenlerin genliklerinin oranı ve aralarındaki faz farkıdır. Genlik, her bileşenin ne kadar güçlü olduğunu; faz farkı ise iki bileşenin salınımlarında birbirlerine göre ne kadar önde veya geride olduklarını gösterir.

İki bileşen aynı fazda ya da zıt fazda salınıyorsa, elektrik alan ucunun izlediği yön sabit bir doğru olur. Genlikler eşit ve faz farkı 90 derece olduğunda bir bileşen en büyük değerindeyken diğeri sıfırdan geçer; alan vektörü sabit büyüklükle dönerek dairesel bir iz oluşturur. Genlikler eşit değilse veya faz farkı 90 dereceden farklıysa bu iz genel olarak elips olur.

Örneğin Ex ve Ey bileşenlerinin genlikleri eşit, faz farkı 90 derece ise elektrik alanın x ve y doğrultularındaki değerleri sırayla değişir ve uç nokta enine düzlemde çember çizer. Buna karşılık Ex bileşeni Ey’nin iki katı genliğe sahipse aynı faz ilişkisi altında uç nokta çember değil elips oluşturur. Dolayısıyla yalnızca bileşenlerin bulunması değil, büyüklükleri ve zaman içindeki göreli davranışları da birlikte incelenmelidir.

Doğrusal, dairesel ve eliptik polarizasyon türleri

Doğrusal polarizasyonda elektrik alan vektörü, zamanla yönü değişse bile tek bir doğru üzerinde ileri-geri salınır. Bu durum, iki dik bileşenin aynı fazda veya 180 derece faz farkıyla bulunmasıyla ortaya çıkabilir. Bileşenlerden biri sıfırsa da doğrusal polarizasyon elde edilir. Örneğin Ex = E0 cos(kz − ωt) ve Ey = 0 durumunda alan yalnızca x doğrultusunda titreşir.

Dairesel polarizasyonda elektrik alan vektörünün ucu, ilerleme yönüne dik düzlemde çember çizer. Bunun için birbirine dik iki bileşenin genlikleri eşit olmalı ve aralarındaki faz farkının mutlak değeri 90 derece olmalıdır. Alanın ucu zamanla döndüğü için bu ışık, doğrusal polarizasyondan farklı olarak tek bir titreşim doğrultusuna sahip değildir. Faz farkının işareti, alan vektörünün dönme yönünü belirler.

Eliptik polarizasyon, en genel durumdur. İki dik bileşen aynı fazda ya da zıt fazda değilse ve dairesel polarizasyonun koşullarını da sağlamıyorsa elektrik alan ucu elips çizer. Doğrusal ve dairesel polarizasyon, eliptik durumun özel sınırları gibi düşünülebilir: elipsin eksenlerinden biri sıfıra indiğinde doğrusal, iki yarı eksen eşit olduğunda dairesel durum elde edilir. Örneğin 90 derece faz farkına sahip fakat genlikleri farklı iki bileşen eliptik polarizasyon oluşturur.

Bir malzemenin ışığın polarizasyonunu değiştirebildiği genel olarak bilinmekle birlikte, çift kırılma ve dalga plakalarının ayrıntılı analizi ayrı bir konudur. Jones hesabı ve Jones matrisleri ile Stokes parametreleri ve Mueller matrisleri de polarizasyonu daha ileri matematiksel yöntemlerle inceleyen başlıklardır.

Polarizör ve analizörün çalışma ilkesi

Polarizör, gelen ışığın belirli bir elektrik alan doğrultusundaki bileşenini seçerek çıkışta polarizasyonlu ışık oluşturan filtredir. Filtrenin uzun molekülleri belirli bir doğrultuda hizalanmıştır. Elektrik alanın moleküller boyunca olan bileşeni, moleküllerdeki elektronları daha kolay titreştirir ve enerji soğurulmasına yol açar; moleküllere dik olan bileşen ise daha kolay geçer. Bu nedenle filtrenin geçirme ekseni, hizalanmış moleküllerin doğrultusuna diktir ve geçen elektrik alan bileşeninin yönünü gösterir.

Analizör, polarizasyonu zaten seçilmiş ışığı incelemek için kullanılan ikinci polarizördür. İlk polarizör ışığın polarizasyon yönünü belirler, analizör ise kendi eksenine paralel bileşeni geçirir. İki eksen paralelse ilk filtreden geçen ışığın tamamı ideal analizörden geçer. Eksenler birbirine dikse ikinci filtreye paralel bileşen kalmadığından ideal durumda ışık geçmez. Ara açılarda ise alanın yalnızca eksene izdüşen kısmı iletilir.

Örneğin doğrusal polarizasyonlu bir ışığın önüne ekseni bu doğrultuyla 60 derece açı yapan bir analizör konulursa elektrik alanın analizör eksenindeki bileşeni geçer. Analizör döndürüldükçe gözlenen parlaklık değişir; maksimum ve minimum değerler, eksenlerin göreli yönü hakkında bilgi verir. Polarizör ve analizörle yapılan bu düzenek, polarizasyon türünün ve yönünün deneysel olarak incelenmesini sağlar.

Polarizörlerden geçen ışık şiddetinin yorumlanması

Doğrusal polarizasyonlu ışığın elektrik alan genliği E0, analizör ekseniyle θ açısı yapıyorsa geçen alan bileşeninin genliği E0 cosθ olur. Dalga şiddeti genliğin karesiyle orantılı olduğundan ideal analizörden geçen ışığın şiddeti Malus yasasıyla bulunur: I = I0 cos²θ. Burada I0, analizöre gelen polarizasyonlu ışığın şiddeti; θ ise gelen polarizasyon yönü ile analizör ekseni arasındaki açıdır.

θ = 0° olduğunda cos²θ = 1 olduğu için şiddet maksimumdur. θ = 90° olduğunda geçen bileşen sıfır olur ve ideal analizör ışığı keser. θ = 45° için şiddet, I0’ın yarısıdır. Doğal ışık önce ideal bir polarizörden geçirilirse, ilk filtreden sonra oluşan polarizasyonlu ışığın ortalama şiddeti gelen şiddetin yarısı olarak alınır; ardından analizör için Malus yasası uygulanır. Bu nedenle bir soruda önce ışığın polarizör öncesinde doğal mı yoksa zaten polarizasyonlu mu olduğunu belirlemek gerekir.

Polarizasyonun oluşma yöntemleri

Polarizasyon, bir ışığın belirli elektrik alan yönlerinin seçilmesiyle veya bazı yönlerin diğerlerinden farklı davranmasıyla oluşabilir. Seçici soğurma yönteminde polarlaştırıcı malzeme, elektrik alanın bir bileşenini daha fazla soğurur ve diğer bileşenin geçmesine izin verir. Polarizörlerdeki hizalanmış moleküller bu mekanizmayla çalışır.

Yansıma da polarizasyon oluşturabilir. Işık su veya cam gibi bir yüzeye çarptığında, elektrik alanın farklı yönlerdeki bileşenleri yüzeyde aynı biçimde yansımaz ve kırılmaz. Bu nedenle yansıyan ışık, doğal ışığa göre belirli bir doğrultuda daha güçlü bileşen içeren kısmi polarizasyonlu ışık hâline gelir. Uygun geliş açısında yansıyan ışık tamamen polarizasyonlu olabilir; bu açı Brewster açısı olarak adlandırılır.

Saçılmada, ışığın hava moleküllerindeki elektronları titreştirmesi ve bu elektronların küçük antenler gibi yeniden ışınım yapması rol oynar. Saçılan ışığın belirli gözlem doğrultularında bir polarizasyon bileşeni baskın hâle gelir; ancak farklı yönlerden gelen ışık ve çoklu saçılma nedeniyle sonuç her zaman tam polarizasyon olmayabilir. Mavi gökyüzüne polarizasyon gözlükleriyle bakarken parlaklığın gözlüğün dönüşüne göre değişmesi, gökyüzü ışığının kısmen polarizasyonlu olduğuna örnektir.

Polarizasyonun optik ölçümlerde ve yansıma azaltmada kullanımı

Polarizasyon analizi, saçılan ışığın kaynağı hakkında bilgi edinmek ve bazı maddelerin özelliklerini ölçmek için kullanılabilir. Polarizasyonlu gözlükler ise su, cam ve kar yüzeylerinden gelen yansımadaki baskın bileşeni azaltarak parlamayı düşürür; gözlüğün ekseni döndürüldüğünde parlaklığın değişmesi bu etkiyi gösterir. Polarizasyon ölçümleri, optikçe etkin maddelerdeki derişim ve moleküler yapı hakkında da bilgi sağlayabilir.