La Polarizzazione della Luce

Sappiamo che per sperimentare con la polarizzazione della luce è necessario disporre di un supporto girevole per posizionare il filtro polarizzatore, però queste apparecchiature sono davvero costose ! Ma tutto è cambiato quando abbiamo trovato su eBay una semplice piattaforma girevole per un braccio robotico, la seguente immagine mostra il “gadget” (cerca online “platform for robotic arm“):

Con un simile strumento ci siamo resi conto che era possibile assemblare un supporto girevole per il filtro polarizzatore molto semplice (ed economico) ma preciso : il risultato è mostrato nell’immagine di copertina del post.

Introduzione

La polarizzazione è una proprietà che si applica alle onde trasversali che specifica l’orientamento geometrico delle oscillazioni. In un’onda trasversale, la direzione dell’oscillazione è perpendicolare alla direzione del moto dell’onda. Le onde trasversali che presentano polarizzazione includono le onde elettromagnetiche come onde luminose e radio, onde gravitazionali e onde sonore trasversali (onde di taglio) nei solidi.

Un’onda elettromagnetica come la luce è costituita da un campo elettrico oscillante accoppiato ad un campo magnetico, sempre perpendicolari fra loro; per convenzione, la “polarizzazione” delle onde elettromagnetiche si riferisce alla direzione del campo elettrico. Nella polarizzazione lineare, i campi oscillano in una sola direzione. Nella polarizzazione circolare o ellittica, i campi ruotano a velocità costante su un piano mentre l’onda si propaga. La rotazione può avere due direzioni possibili; se i campi ruotano nel senso della mano destra rispetto alla direzione della corsa d’onda, si chiama polarizzazione circolare destra, mentre se i campi ruotano nel senso della mano sinistra, si chiama polarizzazione circolare sinistra.
L’immagine seguente mostra un’onda con polarizzazione lineare.

L’immagine sotto mostra un’onda con polarizzazione circolare : il vettore del campo elettrico può essere pensato come la somma vettoriale di due vettori , orientati lungo i due assi perpendicolari, che oscillano con fasi diverse.

Un polarizzatore è un filtro ottico che lascia passare le onde luminose con una polarizzazione specifica bloccando le onde luminose aventi altre polarizzazioni. Un polarizzatore trasmette solo la luce che sta vibrando in un piano particolare. Questo piano costituisce l “asse” della polarizzazione. La luce non polarizzata vibra su tutti i piani perpendicolari alla direzione di propagazione. Se la luce non polarizzata è incidente su un polarizzatore “ideale”, solo la metà dell’intensità della luce verrà trasmessa attraverso il polarizzatore

La luce trasmessa è polarizzata su un piano. Se questa luce polarizzata è incidente su un secondo polarizzatore, il cui asse è orientato in modo tale da essere perpendicolare al piano di polarizzazione della luce incidente, nessuna luce verrà trasmessa attraverso il secondo polarizzatore.
Tuttavia, se il secondo polarizzatore è orientato secondo un angolo non perpendicolare all’asse del primo polarizzatore, ci sarà una componente del campo elettrico della luce polarizzata che si trova nella stessa direzione dell’asse del secondo polarizzatore, e quindi parte della luce verrà trasmessa attraverso il secondo polarizzatore. Questo viene mostrato nella seguente immagine.

Se chiamiamo E₁ il campo elettrico polarizzato dopo il passaggio attraverso il primo polarizzatore, ed E₂ , dopo il passaggio attraverso il secondo polarizzatore, posto ad un angolo φ rispetto al primo polarizzatore allora risulta che E₂ vale E₁cosφ (proiezione su direzione inclinata di un angoloφ). Poiché l’intensità della luce varia come il quadrato del campo elettrico, l’intensità della luce trasmessa attraverso il secondo filtro è data da (legge Malus) :

I₂ = I₁ cos²φ

Verifica della Legge di Malus

Per la verifica della legge di Malus abbiamo utilizzato il laser He-Ne, un filtro polarizzatore ed il filtro analizzatore montato sul supporto girevole descritto più sopra. L’intensità luminosa trasmessa dal filtro è stata misurata tramite un sensore a fotodiodo. Al fine di escludere la luminosità ambientale e migliorare la sensibilità della misura è stato utilizzato un filtro interferenziale a 633 nm, coincidente con la lunghezza d’onda della emissione del laser. Il tutto posizionato sul nostro tavolo ottico artigianale.
Maggiori dettagli sulla strumentazione utilizzata possono essere trovati nei seguenti post : Un Tavolo Ottico DIY, Fotometro basato su PSoC.
Le immagini sotto mostrano il setup, con il dettaglio del sensore + filtro.

Il grafico seguente mostra i risultati della misura ottenuta facendo ruotare il filtro analizzatore.

Si vede come la misura della intensità luminosa segua abbastanza fedelmente l’andamento teorico previsto dalla legge di Malus..

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