Polarisaatio — aaltoliike, valon polarisaatio ja aurinkolasit selitetty
Selkeä opas polarisaatioon: ymmärrä aaltoliike ja valon polarisaatio sekä miten polarisoivat aurinkolasit vähentävät häikäisyä — käytännöllinen ja helposti ymmärrettävä.
Polarisaatio (myös polarisaatio) on joidenkin aaltotyyppien ominaisuus. Joillakin aalloilla on aallon suunnan lisäksi liikettä myös toiseen suuntaon. Esimerkiksi vedessä aalto liikkuu veden poikki, mutta aalto liikuttaa vettä myös pinnalla ylös ja alas. Valoaallot ovat samalla tavalla poikittaisaaltoja, vaikka ne ovat myös hiukkasia. Ääniaalloilla ei ole polarisaatiota, koska ne ovat pitkittäisaaltoja. Polarisoidut aurinkolasit hyödyntävät näitä värähtelyjä.
Mikä on polarisaatio?
Polarisaatio kuvaa sitä, miten aaltoliikkeen värähtely tapahtuu suhteessa aallon etenemissuuntaan. Poikittaisella aallolla (kuten valolla) värähtely suunta on kohtisuorassa aallon etenemissuuntaa vastaan. Polarisaatiolla tarkoitetaan näiden värähtelysuuntien järjestäytymistä: jos värähtelyt tapahtuvat mielivaltaisesti eri suuntiin, valo on epäpolarisoitunutta; jos ne rajoittuvat tiettyihin suuntiin, valo on polarisoitunutta.
Valon polarisaation tyypit
- Lineaarinen (suoraviivainen) polarisaatio: sähkökenttä värähtelee yhdessä tietyssä tasossa (esim. vaakatasossa tai pystytasossa).
- Säteittäinen tai elliptinen polarisaatio: sähkökentän vektori pyörii, jolloin sen kärki kuvaa elliptistä käyrää ajan funktiona. Erityistapaus on ympyränmuotoinen (kirkas kierto yhdensuuntaisesti tai vastakkaisesti).
- Sekoitetut tilat: luonnonvalossa on usein satunnaisia polarisaatiokomponentteja, jolloin puhutaan epäpolarisoituneesta tai osittain polarisoituneesta valosta.
Kuinka polarisaatio syntyy ja muuttuu?
Polarisaatio voi syntyä tai muuttua useilla tavoilla:
- Heijastuksesta: heijastuva valo esimerkiksi veden tai tien pinnalta on usein voimakkaasti polarisoitunutta, erityisesti lähellä Brewsterin kulmaa. Tästä johtuu esimerkiksi kirkkaiden heijastusten eli häikäisyn syntyminen.
- Sironnasta: ilman molekyylit sirottavat auringonvaloa ja aiheuttavat taivaan sinisen värin; sironnasta tuleva valo on osittain polarisoitunutta, mikä näkyy esimerkiksi sateenkaarilasereilla tai polarisaatiosuodattimella katsottaessa.
- Polarisaatiosuodattimista: polarisoiva kalvo tai lasi päästää läpi vain tietyn suuntaisen sähkökenttäkomponentin ja vaimentaa muut suuntakomponentit.
- Optisista elementeistä: esimerkiksi kierrelevät lieriöt, birefringentit aineet ja optisesti aktiiviset aineet voivat muuttaa polarisaatiotilaa (esim. lineaarisesta pyöriväksi).
Miksi ääni ei ole polarisoitua?
Ääni on mekaaninen pitkittäisaalto kaasuissa ja useimmissa nesteissä/kiinteissä. Pitkittäisaallossa hiukkaset liikkuvat aallon etenemissuuntaa pitkin, eikä niillä ole vapauden mukaista värähtelysuuntaa poikkisuunnassa, joten polarisaatio ei ole relevantti käsite äänen tapauksessa samalla tavalla kuin valolle.
Polarisoidut aurinkolasit ja niiden toiminta
Polarisoidut aurinkolasit käyttävät polarisaatiota vähentääkseen heijastuksia ja häikäisyä. Useimmiten heijastukset pinnoilta, kuten vedestä, lumesta tai märästä tiestä, ovat pääosin vaakasuunnassa polarisoituneita. Aurinkolasien polarisoiva kalvo on suunnattu siten, että se blokkaa tätä vaakasuunnassa värähtelevää komponenttia ja päästää läpi pystysuuntaisen komponentin. Tuloksena nähdään vähemmän häikäisyä, kontrasti paranee ja silmien rasitus vähenee.
Sovelluksia
- Laseissa ja aurinkolaseissa: häikäisyn vähentäminen.
- Näytöissä (LCD): jokainen näyttö perustuu polarisaation hallintaan ja suodattamiseen.
- Valokuvauksessa ja optiikassa: polarisaatiosuodattimia käytetään heijastusten poistoon ja kontrastin parantamiseen.
- Tieteessä: polarimetriassa mitataan esimerkiksi tähtien ja planeettojen säteilevän valon polarisaatiota, mikä kertoo pintarakenteista ja magneettikentistä.
- Tekniikassa: fotoniikka, optinen viestintä ja tietoliikenne hyödyntävät polarisaatiota kanavien erottelussa.
- Materiaalitutkimus: jännityskentät muokkaavat polarisaatiota (photoelasticity), minkä avulla mitataan sisäisiä jännityksiä kirkkautta ja värejä tutkimalla.
- 3D-elokuvat: käytetään erisuuntaisia polarisaatioita eri silmille, jolloin aivot yhdistävät oikean kuvan oikean silmän näkymäksi.
Lyhyt yhteenveto
Polarisaatio on aaltoliikkeen ominaisuus, joka kertoo värähtelyjen suunnan suhteessa aallon etenemissuuntaan. Se on olennainen käsite erityisesti valon kohdalla, ja sen ymmärtäminen selittää ilmiöitä kuten heijastuksia, häikäisyä sekä lukuisia käytännön sovelluksia aurinkolaseista LCD-näyttöihin ja tieteellisiin mittauksiin.
Light
Kiiltävistä läpinäkyvistä materiaaleista heijastuva valo on osittain tai kokonaan polarisoitunutta, paitsi jos valo on kohtisuorassa pintaan nähden. Polarisaation löysi ensimmäisen kerran matemaatikko Etienne Louis Malus vuonna 1808. Polarisoivalla suodattimella, kuten polarisoivilla aurinkolaseilla, voidaan havaita tämä ilmiö kääntämällä suodatinta ja katsomalla sen läpi kaukaisesta vaakasuorasta pinnasta heijastuvaa valoa. Tietyissä kiertokulmissa heijastunut valo vähenee tai häviää. Polarisoivat suodattimet poistavat valon, joka on polarisoitunut 90°:n kulmassa suodattimen polarisaatioakseliin nähden. Jos kaksi polarisaattoria asetetaan päällekkäin 90° kulmassa toisiinsa nähden, hyvin vähän valoa pääsee molempien läpi.
Valon kulkiessa ilmakehän läpi havaitaan sironnan aiheuttama polarisaatio. Sironnut valo tuottaa kirkkauden ja värin kirkkaalla taivaalla. Tätä sironneen valon osittaista polarisaatiota voidaan käyttää taivaan tummuttamiseen valokuvissa, mikä lisää kontrastia. Tämä vaikutus on helpointa havaita auringonlaskun aikaan, horisontissa 90° kulmassa laskevasta auringosta. Toinen helposti havaittava vaikutus on vaakasuorilta pinnoilta heijastuvien taivasta ja pilviä kuvaavien kuvien kirkkauden jyrkkä väheneminen. Tämän vuoksi aurinkolaseissa käytetään usein polarisoivia suodattimia. Polarisoivissa aurinkolaseissa näkyvät myös sateenkaarimaiset kuviot, jotka johtuvat väririippuvaisista kaksoiskatkovaikutuksista esimerkiksi karkaistussa lasissa (esim. auton ikkunoissa) tai läpinäkyvästä muovista valmistetuissa esineissä. Polarisaation merkitys nestekidenäyttöjen (LCD-näytöt) toiminnassa näkyy usein myös polarisoivien aurinkolasien käyttäjälle, mikä voi heikentää kontrastia tai jopa tehdä näytön lukukelvottomaksi.
Polarisaatiosuodatin
Valon polarisaatio on hyödyllistä sen jälkeen, kun se on suodatettu. Suodatin erottaa valon, jolla on tietynlainen polarisaatio, muista. Useimmissa päivänvalossa tai hehkulampun valossa on sekoitus polarisaatioita (laserit ovat poikkeus). Suodatin toimii samalla tavalla kuin pelikortti kammassa - vain jos kortti käännetään oikeaan suuntaan, se mahtuu kammaan. Jos valoa käännetään eri suuntaan, suodatin estää sen. Nestekidenäytöt (LCD-näytöt) käyttävät tätä estämään valoa, jotta näyttöön saadaan kirjaimia tai numeroita. Silmälaseilla, joissa on eri polarisaatiosuodattimet kummallekin silmälle, voidaan erottaa toisistaan vasemmalle ja oikealle silmälle tarkoitettu valo. Tämä on yleinen tapa tehdä 3D-elokuvia ja 3D-televisiota.
Luonnossa joskus pinnasta heijastuvalla valolla on sama polarisaatio - tätä kutsutaan "häikäisyksi" ikkunasta tai vedestä. Kameran polarisaatiosuodatin poistaa tämän häikäisyn ja auttaa näkemään ikkunan tai veden läpi (tai voi lisätä häikäisyä, riippuen siitä, miten se on käännetty).
Oikeanpuoleinen kuva on otettu polarisoivien aurinkolasien läpi ja auton takaikkunan läpi. Taivaalta tuleva valo heijastuu toisen auton tuulilasista vinosti, jolloin se on enimmäkseen vaakasuoraan polarisoitunut. Takaikkuna on karkaistua lasia. Lasin lämpökäsittelystä johtuva jännitys muuttaa sen läpi kulkevan valon polarisaatiota aaltolevyn tavoin. Ilman tätä vaikutusta aurinkolasit estäisivät toisen auton ikkunasta heijastuvan vaakasuoraan polarisoituneen valon. Takaikkunan jännitys muuttaa kuitenkin osan vaakasuoraan polarisoituneesta valosta pystysuoraan polarisoituneeksi valoksi, joka voi kulkea lasien läpi. Tämän seurauksena lämpökäsittelyn säännöllinen kuvio tulee näkyviin.
Polarisoivat aurinkolasit paljastavat jännityksen auton ikkunassa (katso selitys tekstistä.)
Polarisoivan suodattimen vaikutus valokuvan taivaaseen. Oikeanpuoleisessa kuvassa käytetään suodatinta.
Polarisaattorin vaikutus heijastukseen mutalevyistä. Vasemmanpuoleisessa kuvassa polarisaattori on käännetty siten, että heijastukset läpäisevät mahdollisimman hyvin; kääntämällä polarisaattoria 90° (oikeanpuoleinen kuva) lähes kaikki peilimäisesti heijastunut auringonvalo estyy.
Sähkömagneettinen
Myös muilla sähkömagneettisilla aalloilla on polarisaatiota, mutta se voi tapahtua eri tavoin.
Yleinen polarisaatio: Joitakin aaltoja voidaan kuvata siten, että sähkökenttä on kohtisuorassa aallon suuntaan nähden, ja näitä kutsutaan TE-aalloiksi (transversaalisähköiset aallot). Toisten aaltojen magneettikenttä on kohtisuorassa aallon suuntaan nähden, ja näitä kutsutaan TM-aalloiksi (transversaaliset magneettiset aallot). Nämä ovat aaltojen polarisaation yleisimmät tyypit. Niitä voidaan kutsua myös vertikaalisesti tai horisontaalisesti polarisoiduiksi aalloiksi. Jos sekä sähkökenttä että magneettikenttä ovat kohtisuorassa aallon suuntaan nähden, aaltoa kutsutaan TEM-aalloksi (transversaali sähkömagneettinen). Lineaarinen, ympyrä- ja elliptinen polarisaatio ovat TEM-polarisaation erityistapauksia.
Lineaarinen, ympyräpolarisaatio ja elliptinen polarisaatio ovat kolme erityistä TEM-polarisaatiotyyppiä. Niitä ei voida mitata lähellä antennia. Kaukana antennista kentät ovat TEM-kenttiä, joten niitä voidaan käyttää. Ne on helppo kuvitella, jos katsot aaltoa suoraan.
Lineaarinen polarisaatio
Aallon suunnassa katsottuna sähkökenttä on yksi suora viiva. Jos sähkökentän suunta pysyy vakiona, vaikka sen koon tai suuruuden annetaan muuttua, polarisaatiotilaa kutsutaan lineaariseksi. Tämä johtuu siitä, että sähkökentän vektorin kärki kulkee suorana viivana tasossa, joka on kohtisuorassa aallon etenemissuuntaan nähden. (Samanlainen kuin hyppynarua ravisteltaisiin ylös ja alas, kun köyttä tarkastellaan toisesta päästä. Liikkuva köysi tekee viivan muodon).
Ympyräpolarisaatio
Aallon suunnassa katsottuna sähkökenttä on ympyrän muotoinen. Jos sähkökentän suuruus pysyy vakiona ja sen suunnan annetaan vaihdella, polarisaatiotilaa kutsutaan ympyränmuotoiseksi, koska sähkökentän kärki piirtää ympyrän aallon etenemissuuntaan nähden kohtisuorassa olevassa tasossa. Erityisesti ympyrä voi olla myötä- tai vastapäivään (aallon kulkiessa poispäin). (Tämä on samanlaista kuin hyppynarun heiluttaminen ympäriinsä hyppäämistä varten, se muodostaa ympyrän muodon).
Elliptinen polarisaatio
Tämä on kuin ympyräpolarisaatio, mutta sen suuruus muuttuu sen pyöriessä ja muodostaa ellipsin.
Kysymyksiä ja vastauksia
Q: Mitä on polarisaatio?
V: Polarisaatio on joidenkin aaltotyyppien ominaisuus, jossa aallolla on liikettä toiseen suuntaan kuin aallon suunta.
K: Millaisilla aalloilla on polarisaatio?
V: Valo- ja vesiaalloilla on polarisaatio, mutta ääniaalloilla ei.
K: Miten polarisoidut aurinkolasit hyödyntävät näitä värähtelyjä?
V: Polarisoidut aurinkolasit on suunniteltu suodattamaan tietyt valoaallot, jotka värähtelevät yhteen tiettyyn suuntaan, mikä auttaa vähentämään häikäisyä ja parantamaan näkyvyyttä.
K: Ovatko valoaallot hiukkasia vai poikittaisaaltoja?
V: Valoaallot ovat sekä hiukkasia että poikittaisaaltoja.
K: Onko ääniaalloilla polarisaatio?
V: Ei, ääniaallot ovat pitkittäisaaltoja, eikä niillä ole polarisaatiota.
K: Miten aalto liikkuu veden poikki?
V: Aalto liikkuu veden pinnan poikki, mutta se saa veden myös liikkumaan pinnalla ylös ja alas.
Etsiä