1.

Introduzione

Polarizzazione della luce Fenomeno ottico che riguarda la direzione di vibrazione del vettore campo elettrico di un’onda luminosa rispetto alla direzione di propagazione, e che consiste nella predominanza di una particolare direzione di vibrazione tra tutte quelle possibili. Normalmente, la luce ordinaria risulta non polarizzata; può risultare, invece, parzialmente o totalmente polarizzata se il mezzo che essa attraversa è caratterizzato da proprietà ottiche opportune.

Il fenomeno, scoperto nel XVII secolo da Christiaan Huygens, trova applicazione, ad esempio, in fotografia, per la realizzazione di filtri e lenti antiriflesso, o in astronomia: l’analisi dello stato di polarizzazione della luce proveniente da astri lontani, infatti, fornisce informazioni sul mezzo interstellare attraversato e sulla sorgente da cui la luce proviene.

2.

La luce è costituita da onde trasversali

Lo studio della polarizzazione della luce è di competenza di quella branca dell’ottica che prende il nome di ottica fisica, e che, a differenza dell’ottica geometrica, tiene conto della natura ondulatoria della luce. Ogni raggio luminoso, quindi, deve essere pensato come un treno di onde trasversali, le cui grandezze vibranti sono il campo elettrico e il campo magnetico. Convenzionalmente, si definisce piano di vibrazione quello in cui oscilla il vettore campo elettrico, e piano di polarizzazione quello a esso perpendicolare, in cui oscilla il vettore campo magnetico. Quando si studia un fenomeno ottico come quello della polarizzazione, si suole scomporre il vettore campo elettrico in due componenti, di cui una parallela e l’altra perpendicolare a una direzione significativa del sistema fisico analizzato. Ad esempio, nello studio dei fenomeni di riflessione e rifrazione, si scompone il vettore campo elettrico lungo la direzione parallela e perpendicolare al piano di incidenza.

3.

Luce ordinaria e luce polarizzata

Gli atomi di una sorgente di luce ordinaria emettono luce sotto forma di brevi impulsi. Ciascun impulso è costituito da un treno di onde elettromagnetiche pressoché monocromatiche (tutte della stessa lunghezza d’onda). Il vettore campo elettrico associato a ognuna di queste onde forma con la retta di propagazione un certo angolo, detto azimuth, che normalmente può assumere qualsiasi valore. All’interno di un treno di onde di luce naturale, gli azimuth sono distribuiti casualmente tra gli infiniti valori possibili: si parla quindi di luce ordinaria o non polarizzata. La luce risulta polarizzata, invece, se i vettori associati a ciascuna onda elementare hanno tutti lo stesso azimuth – se vibrano tutti nel medesimo piano. Più precisamente, un treno di onde siffatto si dice linearmente polarizzato. Esistono altri tipi di polarizzazione: si parla di polarizzazione circolare se il vettore campo elettrico non vibra costantemente su un piano, ma ruota intorno alla direzione di propagazione mantenendo sempre la stessa ampiezza. Si parla invece di polarizzazione ellittica se il vettore campo elettrico compie un’analoga rotazione intorno alla direzione di propagazione, ma variando l’ampiezza nel corso della rotazione in modo da descrivere con la “punta” una traiettoria ellissoidale.

La polarizzazione di un fascio di luce può essere completa o parziale; nel primo caso, tutte le onde che lo costituiscono sono caratterizzate dalla stessa direzione di polarizzazione; nel secondo, la polarizzazione riguarda soltanto una frazione delle onde che compongono il fascio.

4.

Meccanismi che producono luce polarizzata

Esistono diversi meccanismi che fanno di un fascio di luce ordinaria un fascio di luce polarizzata; i più noti sono la polarizzazione per riflessione, per rifrazione attraverso lamine sovrapposte, per dicroismo e per doppia rifrazione.

1.

Polarizzazione per riflessione

Questo metodo di polarizzazione fu il primo a essere messo a punto: la sua scoperta risale al 1808 e si deve allo scienziato francese Etienne Malus (1775-1812). Consiste nel far incidere un fascio di luce su una lastrina di vetro (o di un altro materiale almeno parzialmente riflettente) a un certo angolo, specifico di ogni materiale; per il vetro, l’angolo di polarizzazione è di circa 57°. Come scoperto successivamente dal fisico scozzese David Brewster (1781-1868), questo angolo – detto angolo di Brewster – è quello in corrispondenza del quale il raggio riflesso e quello rifratto sono perfettamente ortogonali. In queste condizioni, la componente del vettore campo elettrico che vibra parallelamente al piano di incidenza viene completamente assorbita, mentre viene riflessa la componente che vibra in direzione perpendicolare. La condizione perché si verifichi questa circostanza è che la tangente trigonometrica dell'angolo di incidenza sia uguale al rapporto tra l'indice di rifrazione del secondo mezzo e quello del primo. Così, il raggio di luce riflessa contiene soltanto onde polarizzate nella direzione perpendicolare al piano di incidenza.

Apparentemente, la luce che emerge dalla riflessione brewsteriana su una lastrina di vetro è identica a quella del fascio iniziale. Per rilevare il suo stato di polarizzazione, si deve utilizzare una seconda lastrina di vetro parallela alla prima, detta analizzatore, e far incidere la luce ottenuta con lo stesso angolo di polarizzazione. A seconda dell’orientazione della seconda lastrina rispetto alla direzione del fascio (sempre mantenendo l’angolo di incidenza uguale all’angolo di Brewster), si ottiene un fascio riflesso più o meno intenso. In particolare, se si ruota di 90° la seconda lastrina rispetto alla posizione iniziale (ossia alla direzione di polarizzazione della luce), il fascio viene completamente bloccato.

2.

Polarizzazione per rifrazione multipla

Quando della luce incide su una lastra di vetro o un altro materiale rifrangente, il fascio riflesso può essere linearmente polarizzato, in misura variabile a seconda dell’angolo di incidenza, mentre quello rifratto non viene mai completamente, ma solo parzialmente polarizzato. Se, tuttavia, si fa incidere il raggio rifratto su una serie di lastrine sovrapposte identiche alla prima, la sua polarizzazione parziale si perfeziona al passaggio dall’una all’altra, fino a quando non diventa pressoché completa.

3.

Polarizzazione per dicroismo

Alcuni materiali cristallini, come la tormalina, hanno la proprietà del dicroismo: attraversati da un fascio di luce ordinaria non polarizzata, selezionano una sola delle due componenti ortogonali in cui si può sempre pensare scomponibile il vettore campo elettrico di un’onda luminosa, con il risultato che fungono da efficienti polarizzatori.

Se si pone una lamina di un materiale dicroico sul cammino di un fascio di luce ordinaria, quindi, si ottiene in uscita dalla lamina della luce polarizzata; lo si può verificare facendo passare il fascio ottenuto attraverso una seconda lamina dello stesso materiale: se questa è orientata come la prima, il fascio la attraversa completamente; se è ruotata rispetto alla prima, invece, il fascio risulta parzialmente attenuato o, in corrispondenza di un angolo di rotazione pari a 90°, addirittura annullato. La proprietà del dicroismo, che in natura si trova solo in alcuni minerali colorati, è stata ottenuta anche su lastrine artificiali trasparenti, costruite con migliaia di microscopici cristalli opportunamente allineati in una matrice di materiale plastico. Le lenti Polaroid, ad esempio, sono lamine dicroiche impiegate per filtrare i riverberi della luce solare attraverso il meccanismo della polarizzazione. Il riverbero prodotto, ad esempio, da una distesa di acqua o da una strada bagnata, è costituito da luce parzialmente polarizzata, in quanto prodotto appunto per riflessione. La lente dicroica, opportunamente orientata, blocca parte di questa luce, riducendo l’intensità del fascio che colpisce l’occhio.

4.

Polarizzazione per doppia rifrazione

La polarizzazione si può ottenere anche facendo passare la luce attraverso un cristallo che goda della proprietà della birifrangenza. In questo tipo di materiali, la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche non dipende soltanto dall’indice di rifrazione e dalla frequenza dell’onda, ma anche dalla direzione di polarizzazione della radiazione. Così, le due componenti in cui si può immaginare scomposto il vettore campo elettrico di un’onda luminosa – una parallela e l’altra perpendicolare all’asse ottico del cristallo – vengono rifratte in modo diverso e percorrono cammini diversi all’interno del materiale; si creano così due raggi distinti, ognuno dei quali linearmente polarizzato: uno in direzione parallela e l’altro perpendicolare all’asse ottico del cristallo.

I materiali birifrangenti possono essere sagomati e tagliati per introdurre differenze di fase predefinite tra due gruppi di onde polarizzate, per separarli o per analizzare lo stato di polarizzazione della luce incidente. Alcune sostanze, come il vetro e la plastica, normalmente non birifrangenti, possono acquisire questa caratteristica se sottoposte a tensione meccanica o all’azione di campi elettrici e magnetici. L’azione di un campo magnetico su un liquido, in particolare, è noto come effetto Kerr, dal nome del fisico scozzese John Kerr che lo studiò.

5.

Polarizzatori

Prende il nome di polarizzatore lo strumento con cui si produce e si analizza la luce polarizzata. Un simile strumento può sfruttare il meccanismo della polarizzazione per riflessione, oppure quello della birifrangenza. In questo secondo caso, è costituito essenzialmente da una lamina di materiale birifrangente, che trasmette soltanto la componente della luce che vibra parallelamente al suo asse ottico.

Esistono sostanze otticamente attive che hanno la proprietà di ruotare il piano di giacitura della luce linearmente polarizzata. Un esempio di questo tipo di sostanze è lo zucchero. Se una soluzione zuccherina viene interposta tra un polarizzatore e un analizzatore con piani perpendicolari, solo parte della luce riesce ad attraversare il sistema. L’angolo di rotazione dell'analizzatore che si rende necessario per annullare la porzione di luce trasmessa è una misura da cui si può ricavare la concentrazione dello zucchero nella soluzione. Su questo principio si basa il funzionamento dello strumento chiamato polarimetro.

6.

Applicazioni: il display a cristalli liquidi

Il fenomeno della polarizzazione sta alla base del funzionamento dei display a cristalli liquidi dei dispositivi elettronici: un display è costituito da due strati di vetro polarizzante, con assi di polarizzazione orientati a 90° l’uno rispetto all’altro. Tra questi è compreso uno strato sottile di cristalli liquidi, dello spessore di circa 10 micron (1 micron = 10^-6 m). A seconda dell’orientazione delle sue molecole, i cristalli liquidi hanno la proprietà di trasmettere o bloccare la luce che li attraversa. La visualizzazione delle immagini sullo schermo avviene quindi attraverso la creazione su di esso di zone scure e luminose mediante l’applicazione di un campo elettrico, che controlla l’orientazione dei cristalli liquidi.