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Polarizzazione1 Alcuni fatti sperimentali Già nel 1669 Erasmus Bartolinus, ponendo un cristallo di calcite su un foglio scritto, vide attraverso il cristallo.

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1 Polarizzazione1 Alcuni fatti sperimentali Già nel 1669 Erasmus Bartolinus, ponendo un cristallo di calcite su un foglio scritto, vide attraverso il cristallo due immagini separate di ogni lettera scritta. In altri termini, un raggio di luce che incida su un cristallo di calcite si scinde, generalmente, in due raggi separati.

2 Polarizzazione2 SPECCHI DI MALUS

3 Polarizzazione3 SPECCHI DI MALUS

4 Polarizzazione4

5 5 Se le lastre sono disposte come in figura, cioè in modo tale che le due riflessioni siano complanari (il raggio incidente e quelli riflessi si trovano nello stesso piano), la frazione di luce riflessa dalla seconda lastra V 2 è apprezzabile, mentre tale frazione diminuisce quando V 2 viene ruotata così da avere un raggio riflesso fuori dal piano individuato dal raggio incidente e da quello riflesso sopra V 1. A causa della prima riflessione il fascio incidente resta modificato e acquista la proprietà di venire successivamente riflesso in misura dipendente dall'orientamento della lastra sulla quale incide. SPECCHI DI MALUS

6 Polarizzazione6 Luce polarizzata Si ricorda che dalle equazioni di Maxwell si arriva a 4 equazioni divise a coppie. Si nota che dette equazioni sono a due a due indipendenti nel senso che in una coppia compaiono solo le componenti E y e B z, nell' altra solo le E z e B y.

7 Polarizzazione7 Possiamo allora studiare separatamente i due casi { E y = B z =0 e E z e B y variabili} e { E z = B y = 0 e E y e B z variabili} Prendiamo il primo caso. Abbiamo che E ha come sola componente E z, il campo elettrico vibra sull' asse delle z e si dice allora che l' onda è polarizzata linearmente; in questo caso anche B è polarizzato linearmente sull' asse y. Cioè E e B vibrano su piani ortogonali.

8 Polarizzazione8

9 9 In generale però avremo sia E z che E y, ed il fascio potrà essere o non essere polarizzato. E polarizzato se esiste una relazione precisa tra il campo ad un certo istante e quello all istante successivo (o equivalentemente tra i campi in differenti punti dell onda). Cioè tale che si possa scrivere (per E, ma equivalentemente per B): con costante

10 Polarizzazione10 Polarizzazione lineare

11 Polarizzazione11 un ellisse (caso più generale) un cerchio (se A z =A y ) e y z = = ±π/2 una retta se = 0 o π. Si parla quindi di polarizzazione ellittica, circolare o rettilinea. Visto di fronte il vettore E allora compie una traiettoria nel piano xy che può essere:

12 Polarizzazione12 Sovrapposizione di onde

13 Polarizzazione13 Luce non polarizzata. La luce emessa dalla maggioranza delle sorgenti luminose (corpi incandescenti, gas luminosi) proviene da un numero molto elevato di emittenti atomici o molecolari orientati a caso tra loro. Ognuna di queste sorgenti irradia in una data direzione un treno donda con fase e stato di polarizzazione ben definiti ma che durano nel tempo un intervallo di circa s che, tuttavia, è lungo rispetto al periodo di vibrazione (dell'ordine di s). Poichè nuovi treni donda vengono emessi in continuazione e senza nessuna correlazione tra loro, lo stato di polarizzazione dellonda risultante varia in modo rapido e disordinato e londa mostra un comportamento simmetrico rispetto alla direzione di propagazione: la luce è non polarizzata e viene anche detta luce naturale.

14 Polarizzazione14 Filtro polarizzatore E un apparecchio che è trasparente per la componente del campo che vibra in una determinata direzione, mentre assorbe quella che vibra nella direzione normale

15 Polarizzazione15 Filtri polarizzatore ed analizzatore

16 Polarizzazione16

17 Polarizzazione17 Metodi per polarizzare la luce

18 Polarizzazione18 Polarizzazione per riflessione Quando un fascio di luce incide sulla superficie di separazione tra due mezzi con indici di rifrazione diversi, la luce viene in parte riflessa e in parte trasmessa. La frazione di luce riflessa dipende dall'angolo di incidenza e, se langolo di incidenza è diverso da zero, la luce riflessa risulta parzialmente polarizzata. Tale polarizzazione risulta apprezzabile intorno a un valore particolare dell'angolo di incidenza, chiamato angolo di Brewster (tale fenomeno fu scoperto sperimentalmente (nel 1812) da David Brewster).

19 Polarizzazione19 Si consideri il caso di un'onda piana incidente sulla superficie E di separazione tra due mezzi 1 e 2 di indici di rifrazione n 1 e n 2. Allinterfaccia E deve verificarsi la continuità delle componenti tangenziali di E e di H, e delle componenti normali di D e di B. Si definisce piano di incidenza quello individuato da v e dalla perpendicolare alla superficie piano di vibrazione quello individuato da v e da E piano di polarizzazione quello individuato da v e normale ad E

20 20 Nel mezzo 1, dove si propaga l'onda incidente è presente anche londa riflessa, mentre nel mezzo 2 si trasmette I'onda rifratta. Possiamo applicare le condizioni di continuità sopra ricordate nelle due situazioni seguenti 2) londa incidente è polarizzata parallelamente al piano di incidenza: il vettore elettrico E è adesso parallelo al piano di incidenza. Questo caso verrà indicato col simbolo ||. 1) londa incidente è polarizzata perpendicolarmente al piano di incidenza, cioè col vettore elettrico E perpendicolare al piano di incidenza. Questo caso verrà indicato col simbolo.

21 Polarizzazione21 è chiaro che il caso generale può ottenersi come sovrapposizione di onde con i due precedenti tipi di polarizzazione. Si dimostra allora che il coefficiente di riflessione e il coefficiente di trasmissione per polarizzazione normale risultano:

22 Polarizzazione22 Per frequenze nella zona del visibile, per tutti i mezzi trasparenti si ha con buona approssimazione. Inoltre, tenendo conto della legge di Snell, si ricavano facilmente le seguenti relazioni di Fresnel per polarizzazione normale:

23 Polarizzazione23 Nel caso 2), procedendo in maniera analoga al caso 1), si ottiene

24 Polarizzazione24 assumendo e tenendo conto della legge di Snell, si ricavano facilmente le seguenti relazioni di Fresnel per polarizzazione parallela:

25 Polarizzazione25 lirradianza media di un'onda piana monocromatica è e quindi per avere l intensità dell onda riflessa o rifratta andrà fatto il quadrato dei rapporti precedenti. Nel caso della riflessione si ha: che, graficati per la superficie aria vetro danno landamento mostrato in figura Come si può vedere per R|| esiste un angolo per cui R|| =0 cioè per cui la luce polarizzata parallela non viene riflessa.

26 Polarizzazione26 Questo avviene quando rad che, tenendo conto della relazione di Snell n 1 sen 1 =n 2 sen 2 diviene B viene detto angolo di Brewster e, per tale valore dell'angolo di incidenza, la luce riflessa è completamente polarizzata in direzione normale al piano di incidenza.

27 Polarizzazione27 Polarizzazione per riflessione polarization angle

28 Polarizzazione28 Nel caso degli specchi di Malus, il primo specchio funziona da polarizzatore mentre il secondo, che rivela la luce polarizzata, funziona da analizzatore. Un qualsiasi dispositivo capace di polarizzare è altresì capace di analizzare lo stato di polarizzazione della luce che lo raggiunga. legge di Malus enunciata da Malus nel 1810: ogni filtro polarizzatore ha una direzione preferenziale tale che la luce uscente è polarizzata su quella linea. Supponiamo di avere una onda polarizzata rettilinearmente da un tale filtro (polarizzatore) e di farla incidere su un secondo filtro (analizzatore) che abbia una direzione preferenziale y formante un angolo con la prima. poichè la parte nella direzione di x viene soppressa resta la E 0 cos e quindi per lintensità luminosa si ha

29 Polarizzazione29

30 Polarizzazione30 Polarizzazione per birifrangenza Molte sostanze cristalline trasparenti alla luce, benchè omogenee, non sono isotrope e il loro comportamento ottico dipende dalla direzione del fascio di luce incidente rispetto agli assi di simmetria del cristallo. In generale nei mezzi cristallini anisotropi si verifica il fenomeno della doppia rifrazione, detto anche birifrangenza, consistente nel fatto che un raggio luminoso che incida sul cristallo, a seconda della sua direzione di polarizzazione può procedere allinterno di questo in una o due diverse direzioni di propagazione. Così se un fascio di luce non polarizzata incide su un cristallo di calcite (CaC0 3 ), perpendicolarmente a una delle sue facce, alla superficie del cristallo il raggio si divide in due. In questo modo si può spiegare il fatto che, quando un cristallo di calcite ben levigato è posto sopra alcune lettere stampate, di ciascuna lettera appare un'immagine doppia.

31 Polarizzazione31

32 Polarizzazione32 extraordinary ray ordinary ray

33 Polarizzazione33

34 Polarizzazione34 Scattering Atomi, molecole e piccole particelle, diffondono la luce assorbendola e riemettendola in tutte le direzioni. La quantità della luce diffusa dipende dalla dimensione degli agenti diffusori e dalla lunghezza donda della luce.

35 Polarizzazione35 La luce non polarizzata induce delle oscillazioni sulla molecola. La luce diffusa in direzione perpendicolare alla luce incidente è polarizzata linearmente. Infatti solo la vibrazione lungo la orizzontale delle cariche delle molecole invia luce nella direzione verticale. Polarizzazione per diffusione

36 Polarizzazione36 Polarizzazione per dicroismo Quando luce naturale attraversa certi mezzi cristallini anisotropi, ad esempio la tormalina, si ha un assorbimento selettivo di uno dei due stati ortogonali di luce polarizzata linearmente che compongono londa incidente: di conseguenza, dopo aver attraversato il cristallo la luce risulta polarizzata linearmente in una certa percentuale, o anche totalmente se lo spessore del cristallo è sufficientemente grande. La differenza di assorbimento per i due stati di polarizzazione dipende, fra laltro, dalla lunghezza donda, col risultato di una variazione di colore in funzione delle direzioni di vibrazione dellonda nel cristallo. Questo fenomeno, caratteristico in misura più o meno grande di tutti i cristalli birifrangenti, è chiamato dicroismo. I cristalli dicroici naturali sono fortemente colorati e non molto grandi, cosicchè nella pratica risultano poco utili come polarizzatori. Molto più adatti sono i polaroid artificiali prodotti in pellicole, anche con dimensioni apprezzabili, di materiale plastico contenente delle molecole dicroiche orientate tutte nella stessa direzione. Tali materiali trasmettono fino all'80% della luce polarizzata in un piano parallelo alle orientazioni delle molecole dicroiche e meno dell1 % della luce polarizzata in direzione perpendicolare.

37 Polarizzazione37 iodoquinine sulphate

38 Polarizzazione38

39 Polarizzazione39 Alcuni esempi di utilizzazione POLAROID

40 Polarizzazione40 POLAROID

41 Polarizzazione41 No filterWith filter

42 Polarizzazione42 Cristalli liquidi L'esistenza dei cristalli liquidi è nota fin dal 1888, quando un botanico austriaco, F. Reinitzer, riscaldando un composto organico, il cholesteryl benzoate, osservò che aveva due punti di fusione differenti, a 145° diventava un liquido opaco e tornava chiaro a 179°. Successivamente Otto Lehmann, verificò che le molecole non fondono direttamente, ma passano per una fase in cui si comportano come un liquido, pur mantenendo la struttura molecolare e le proprietà ottiche di un cristallo solido. Coniò quindi, nel 1889, il termine "cristallo liquido". Solo nel 1968 furono sviluppati i primi display a cristalli liquidi presso il Centro Ricerche della RCA negli Stati Uniti.

43 Polarizzazione43 La maggior parte dei cristalli liquidi sono costituiti da molecole allungate che, normalmente, si dispongono con l'asse maggiore parallelo a quelle delle molecole a loro prossime. Tale allineamento consegue dalla interazione tra una molecola e quella vicina. La interazione è però debole ed è possibile un non perfetto allineamento, in particolare si può avere una disposizione in cui ogni molecola è leggermente inclinata rispetto a quella vicina

44 Polarizzazione44

45 Polarizzazione45 E' possibile controllare l'allineamento delle molecole se il cristallo liquido è posto su una superficie finemente corrugata: se le corrugazioni sono parallele anche le molecole si dispongono parallele l'une alle altre. Un LCD consiste in un cristallo liquido compreso fra due superfici finemente corrugate, le corrugazioni di una superficie sono perpendicolari a quelle dell'altra superficie. Se le molecole prossime ad una superficie hanno direzione nord-sud, quelle prossime all'altra superficie hanno direzione est-ovest, quelle intermedie sono ruotate nella direzione intermedia

46 Polarizzazione46

47 Polarizzazione47

48 Polarizzazione48

49 Polarizzazione49 Cristalli liquidi


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