โพลาไรเซชันของคลื่นเเม่เหล็กไฟฟ้า

โพลาไรเซชัน (Polarization) 

ปรากฏการณ์การแทรกสอดและการเลี้ยวเบนของแสง แสดงสมบัติความเป็นคลื่นของแสง แต่ไม่สามารถสรุปได้ว่าแสงเป็นคลื่นตามยาว หรือ คลื่นตามขวาง สำหรับปรากฏการณ์ที่แสดงให้เห็นว่า แสงเป็นคลื่นตามขวาง คือ ปรากฏการณ์โพลาไรเซชัน ทั้งนี้เนื่องจากคลื่นตามยาวจะไม่แสดงปรากฏการณ์นี้

กล่าวได้ว่าปรากฏการณ์โพลาไรเซชัน คือปรากฎการณ์ที่คลื่นมีระนาบการสั่นในระนาบใดระนาบหนึ่งเพียงระนาบเดียว ซึ่งจะเกิดเฉพาะในคลื่นตามขวาง 

แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และเป็นคลื่นตามขวาง ประกอบด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่สั่นตั้งฉากกันในระนาบที่ตั้งฉากกับทิศการแผ่ของคลื่น ทิศการสั่นของสนามไฟฟ้า Ḕ กำหนดให้เป็นทิศของโพลาไรเซชัน แสงธรรมดาที่ไม่โพลาไรส์ (unpolarized light) ประกอบด้วยเวกเตอร์ของสนามไฟฟ้าที่สั่นในทุกทิศทาง และอยู่บนระนาบที่ตั้งฉากกับทิศทางการแผ่ของคลื่น แสงโพลาไรส์ (polarized light) จะประกอบด้วยสนามไฟฟ้า ซึ่งสั่นในแนวใดแนวหนึ่งเท่านั่น เช่น ในแนวดิ่ง แนวราบ เป็นต้น

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งมีเวกเตอร์สนามไฟฟ้า () สั่นอยู่ในทิศทางเดียว ทิศของสนามไฟฟ้านี้เรียกว่าเป็นทิศโพลาไรเซชันของคลื่น กรณีที่คลื่นมีสนามไฟฟ้าสั่นอยู่ในหลายทิศทางจะเป็นคลื่น

แบบไม่โพลาไรซ์  ดังแสดงในภาพ

 การสั่นของเวกเตอร์สนามไฟฟ้า (a) หลายทิศทาง (b) ทิศทางเดียวหรือเชิงระนาบ

เมื่อแสงไม่โพลาไรซ์ผ่านแผ่นโพลารอยด์ที่มีโมเลกุลของพอลิไวนิลแอลกอฮอล์ฝังอยู่ในเนื้อพลาสติก สนามไฟฟ้าที่มีทิศตั้งฉากกับแนวการเรียงตัวของโมเลกุล จะผ่านแผ่นโพลารอยด์ออกไปได้ ส่วนสนามไฟฟ้าที่มีทิศขนานกับแนวการเรียงตัวของโมเลกุล จะถูกโมเลกุลดูดกลืน ต่อไปจะเรียกแนวที่ตั้งฉากกับแนวการเรียงตัวของโมเลกุลนี้ว่าทิศของโพลาไรซ์ ดังนั้นสรุปได้ว่า

1. แสงที่สนามไฟฟ้ามีทิศขนานกับทิศของโพลาไรซ์ สามารถผ่านแผ่นโพลารอยด์ได้
2. แสงที่สนามไฟฟ้ามีทิศตั้งฉากกับทิศของโพลาไรซ์ จะถูกแผ่นโพลารอยด์ดูดกลืน

สนามไฟฟ้าที่มีทิศขนานกับทิศของโพลาไรซ์ จะผ่านแผ่นโพลารอยด์ออกมาดังรูป 7 ดังนั้นแสงที่ผ่านแผ่นโพลารอยด์ออกมาเป็น

แสงโพลาไรซ์ในแนวดิ่ง

เมื่อให้แสงไม่โพลาไรซ์ผ่านแผ่นโพลารอยด์สองแผ่นที่วางขนานกัน ขณะหมุนแผ่นโพลารอยด์แผ่นที่หนึ่งความสว่าง

ของแสงที่ผ่านโพลารอยด์แผ่นที่สองจะเปลี่ยนไป ความสว่างของแสงจะมากที่สุด เมื่อทิศของโพลาไรซ์ของแผ่น

โพลารอยด์ทั้งสองอยู่ขนานกันและความสว่างน้อยที่สุด เมื่อทิศของโพลาไรซ์ของแผ่นโพลารอยด์ทั้งสองตั้งฉากกัน

ดังรูป 8  (ถ้าแผ่นโพลารอยด์มีคุณภาพดีมาก จะไม่มีแสงผ่านออกมาเลย)แสงที่สะท้อนจากผิววัตถุโดยมีมุม

ตกกระทบพอเหมาะเป็นแสงโพลาไรซ์ เพราะทิศของสนามไฟฟ้าของแสงโพลาไรซ์มีทิศการเปลี่ยนแปลงกลับไปมาในแนวเดียว 

เมื่อหมุนแผ่นโพลารอยด์ในจังหวะที่ทิศของโพลาไรซ์ขนานกับทิศการเปลี่ยนแปลงกลับไปมาของสนามไฟฟ้า แสงก็ผ่านออกมาทำให้เห็นสว่าง แต่ถ้าทิศทั้งสองตั้งฉากกัน แสงจะดูดกลืนทำให้มืด

สำหรับแสงไม่โพลาไรซ์ที่ผ่านแผ่นโพลารอยด์ซึ่งหมุนครบรอบ ความสว่างไม่เปลี่ยนแปลงคลื่นแสงที่ไม่โพลาไรซ์

สามารถทำให้โพลาไรซ์ได้ด้วยกระบวนการ

1. การสะท้อน (Reflection)
2. การหักเหซ้อน (Double Refraction)
3. การกระเจิง (Scattering)

โพลาไรเซชันโดยการสะท้อน

รูป 7 การสะท้อน (a) กรณีทั่วไป (b) กรณีที่สะท้อนเป็นแสงโพลาไรซ์

เมื่อแสงที่ไม่โพลาไรซ์ตกกระทบผิวรอยต่อระหว่างตัวกลางที่มีดัชนีหักเห n1 และ  n2 ดังรูป 7  แสงที่สะท้อนจะเป็นแสงโพลาไรซ์ได้ เมื่อมุมระหว่างรังสีสะท้อนกับรังสีหักเหเป็นมุมฉาก  จากรูป 7

                                                                        

เรียกว่า Brewster's law สามารถใช้หาค่าดัชนีหักเหของวัสดุ โดยการวัดค่ามุมโพลาไรซ์ค่าเดียวเท่านั้น

โพลาไรเซชันโดยการหักเห

เมื่อแสงผ่านเข้าไปในแก้ว แสงจะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเท่ากันทุกทิศทาง เพราะแก้วมีดรรชนีหักเหเพียงค่าเดียว แต่เมื่อแสงผ่านเข้าไปในผลึกแคลไซต์หรือควอตซ์ แสงจะมีอัตราเร็วไม่เท่ากันทุกทิศทาง ด้วยเหตุนี้แสงที่ผ่านแคลไซต์จึงหักเหออกเป็น 2 แนว (double diffraction หรือ birefringence) ดังรูป 18.22 รังสีหักเหทั้งสองแนวเป็นแสงโพลาไรส์ โดยมีสนามไฟฟ้าของรังสีหักเหแต่ละรังสีตั้งฉากกัน ซึ่งแสดงด้วยลูกศรและจุด รังสีที่แทนด้วยจุด เรียกว่า รังสีธรรมดา (ordinary ray) มีอัตราเร็วเท่ากันทุกทิศทาง รังสีที่แทนด้วยลูกศร เรียกว่า รังสีพิเศษ (extraordinary ray) มีอัตราเร็วในผลึกต่างกันในทิศที่ต่างกัน

แสงโพลาไรส์โดยการหักเหสองแนว

โพลาไรเซชันโดยการกระเจิงของแสง

เมื่อแสงอาทิตย์ผ่านเข้ามาในบรรยากาศของโลก แสงจะกระทบโมเลกุลของอากาศหรืออนุภาคในบรรยากาศ อิเล็กตรอนในโมเลกุลจะดูดกลืนแสงที่ตกกระทบนั้น และจะปลดปล่อยแสงนั้นออกมาอีกครั้งหนึ่งในทุกทิศทาง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การกระเจิงของแสง ซึ่งได้ศึกษามาแล้วในบทเรียนเรื่องแสง โดยศึกษาผลของการกระเจิงที่ทำให้เห็นท้องฟ้าเป็นสีต่างๆ

               - แสงจากท้องฟ้ามีโพลาไรเซชันหรือไม่

 แสงโพลาไรส์จากการกระเจิงของแสง

จากรูป แสงอาทิตย์ซึ่งเป็นแสงไม่โพลาไรส์กระทบโมเลกุลของอากาศ สนามไฟฟ้าของแสงจะทำให้อิเล็กตรอนในโมเลกุลเคลื่อนที่ คล้ายกับการเคลื่อนที่กลับไปมาของประจุไฟฟ้าในสายอากาศ แต่มีรูปแบบการเคลื่อนที่ซับซ้อนกว่า อาจถือได้ว่าแสงอาทิตย์มีแนวของสนามไฟฟ้าในแนวดิ่งและแนวระดับดังรูป เมื่อแสงที่มีสนามไฟฟ้าในแนวระดับกระทบโมเลกุลของอากาศ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปมาในแนวระดับ และในขณะเดียวกันสนามไฟฟ้าในแนวดิ่ง ก็จะทำให้อิเล็กตรอนในโมเลกุลของอากาศเคลื่อนที่ไปมาในแนวดิ่ง อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในแนวระดับจะให้แสงโพลาไรส์ในแนวระดับ ดังรูป  ส่วนอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในแนวดิ่งจะให้แสงโพลาไรส์ในแนวดิ่ง (ไม่ได้แสดงในรูป) เราสามารถตรวจสอบแสงโพลาไรส์นี้ได้ โดยให้ผู้สังเกตมองท้องฟ้าผ่านแผ่นโพลารอยด์ แล้วหมุนแผ่นโพลารอยด์ไปรอบๆ จะพบว่าความสว่างของแสงเปลี่ยนไป แสดงว่าแสงจากท้องฟ้าส่วนหนึ่งมีแสงโพลาไรส์ปนอยู่ด้วย

ความรู้เรื่องโพลาไรเซชันของแสง ได้นำไปใช้ในการผลิตแว่นตาโพลารอยด์เพื่อช่วยลดปริมาณแสงสะท้อนจากวัตถุมาเข้าตา รวมทั้งมีการนำแผ่นโพลารอยด์ไปใช้กับกล้องถ่ายรูป