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.