Polarización (física)

polarización circular sobre hilo de goma, convertido a polarización lineal

Polarización (también polarización) es una propiedad que se aplica a las ondas transversales que especifica la orientación geométrica de las oscilaciones. En una onda transversal, la dirección de la oscilación es perpendicular a la dirección del movimiento de la onda. Un ejemplo simple de una onda transversal polarizada son las vibraciones que viajan a lo largo de una cuerda tensa (ver imagen); por ejemplo, en un instrumento musical como una cuerda de guitarra. Dependiendo de cómo se toque la cuerda, las vibraciones pueden ser en dirección vertical, dirección horizontal o en cualquier ángulo perpendicular a la cuerda. En cambio, en las ondas longitudinales, como las ondas sonoras en un líquido o gas, el desplazamiento de las partículas en la oscilación es siempre en la dirección de propagación, por lo que estas ondas no presentan polarización. Las ondas transversales que exhiben polarización incluyen ondas electromagnéticas como ondas de luz y de radio, ondas gravitacionales y ondas de sonido transversales (ondas de corte) en sólidos.

Una onda electromagnética como la luz consta de un campo eléctrico oscilante acoplado y un campo magnético que siempre son perpendiculares entre sí; por convención, la "polarización" de ondas electromagnéticas se refiere a la dirección del campo eléctrico. En polarización lineal, los campos oscilan en una sola dirección. En polarización circular o elíptica, los campos giran a una velocidad constante en un plano a medida que viaja la onda. La rotación puede tener dos direcciones posibles; si los campos giran en el sentido de la derecha con respecto a la dirección de propagación de la onda, se denomina polarización circular derecha, mientras que si los campos giran en el sentido de la izquierda, se denomina polarización circular izquierda.

La luz u otra radiación electromagnética de muchas fuentes, como el sol, las llamas y las lámparas incandescentes, consiste en trenes de onda corta con una mezcla igual de polarizaciones; esto se llama luz no polarizada. La luz polarizada se puede producir pasando luz no polarizada a través de un polarizador, que permite el paso de ondas de una sola polarización. Los materiales ópticos más comunes no afectan la polarización de la luz, sin embargo, algunos materiales (aquellos que exhiben birrefringencia, dicroísmo o actividad óptica) afectan la luz de manera diferente dependiendo de su polarización. Algunos de estos se utilizan para hacer filtros polarizadores. La luz también se polariza parcialmente cuando se refleja en un ángulo desde una superficie.

Según la mecánica cuántica, las ondas electromagnéticas también pueden verse como corrientes de partículas llamadas fotones. Cuando se ve de esta manera, la polarización de una onda electromagnética está determinada por una propiedad mecánica cuántica de los fotones llamada su giro. Un fotón tiene uno de dos giros posibles: puede girar en el sentido de la mano derecha o en el sentido de la mano izquierda sobre su dirección de viaje. Las ondas electromagnéticas polarizadas circularmente están compuestas de fotones con un solo tipo de espín, ya sea hacia la derecha o hacia la izquierda. Las ondas polarizadas linealmente consisten en fotones que están en una superposición de estados polarizados circularmente a la derecha y a la izquierda, con igual amplitud y fases sincronizadas para dar oscilación en un plano.

La polarización es un parámetro importante en las áreas de la ciencia que se ocupan de las ondas transversales, como la óptica, la sismología, la radio y las microondas. Las tecnologías como los láseres, las telecomunicaciones inalámbricas y de fibra óptica y los radares se ven especialmente afectadas.

Introducción

Propagación y polarización de ondas

polarización lineal

La mayoría de las fuentes de luz se clasifican como incoherentes y no polarizadas (o solo "parcialmente polarizadas") porque consisten en una mezcla aleatoria de ondas que tienen diferentes características espaciales, frecuencias (longitudes de onda), fases y estados de polarización.. Sin embargo, para entender las ondas electromagnéticas y la polarización en particular, es más fácil considerar ondas planas coherentes; estas son ondas sinusoidales de una dirección particular (o vector de onda), frecuencia, fase y estado de polarización. La caracterización de un sistema óptico en relación con una onda plana con esos parámetros dados se puede usar para predecir su respuesta a un caso más general, ya que una onda con cualquier estructura espacial específica se puede descomponer en una combinación de ondas planas (su llamada espectro angular). Los estados incoherentes se pueden modelar estocásticamente como una combinación ponderada de tales ondas no correlacionadas con alguna distribución de frecuencias (su espectro), fases y polarizaciones.

Ondas electromagnéticas transversales

Una onda electromagnética "verticalmente polarizada" de longitud de onda λ tiene su vector de campo eléctrico E (rojo) oscilando en la dirección vertical. El campo magnético B (o H) siempre está en ángulo recto (azul), y ambos son perpendiculares a la dirección de la propagación (z).

Las ondas electromagnéticas (como la luz), que viajan en el espacio libre u otro medio no atenuante isotrópico homogéneo, se describen correctamente como ondas transversales, lo que significa que el vector de campo eléctrico de una onda plana E y el campo magnético H están en alguna dirección perpendicular a (o "transversal") a la dirección de propagación de la onda; E y H también son perpendiculares entre sí. Por convención, la "polarización" La dirección de una onda electromagnética viene dada por su vector de campo eléctrico. Considerando una onda plana monocromática de frecuencia óptica f (la luz de la longitud de onda del vacío λ tiene una frecuencia de f = c/λ donde c es la velocidad de la luz), tomemos la dirección de propagación como el eje z. Al ser una onda transversal, los campos E y H deben contener componentes solo en las direcciones x e y mientras que E_z = H_z = 0. Usando notación compleja (o fasorial), los campos eléctricos y magnéticos físicos instantáneos están dados por las partes reales de las cantidades complejas que ocurren en las siguientes ecuaciones. En función del tiempo t y la posición espacial z (dado que para una onda plana en la dirección +z los campos no dependen de x o y) estos campos complejos se pueden escribir como:

E→ → ()z,t)=[exeSí.0]ei2π π ()zλ λ − − tT)=[exeSí.0]ei()kz− − ⋅ ⋅ t){displaystyle {vec {}(z,t)={begin{bmatrix}e_{x}e_{y}end{bmatrix}};e^{i2pileft({frace}end{bmatrix}}}};e^{i2pileft {z}{lambda }-{frac {T} {fn}={begin{bmatrix}e_{x}e_{y}end{bmatrix}};e^{i(kz-omega t)}}

y

H→ → ()z,t)=[hxhSí.0]ei2π π ()zλ λ − − tT)=[hxhSí.0]ei()kz− − ⋅ ⋅ t){begin{bmatrix}h_h_{y}end{bmatrix};e^{i2pileft({fracccH} {cH} {cH} {cH} {cH} {cH} {cH}} {cH0cH00}}}}ccH00} {ccH00}}cH00}}}cH00}}cccccccH00}ccH00}cH00}cH00}cH00}cH00}cccccH00}ccH00}cH00}ccH00}ccH00}ccH00}cH00}ccH00}cH00}cH00}cH00}}ccH00}ccH00 {z}{lambda }-{frac {fnK}\fnK}fnK} {fnK} {fnK}}fnun}};e^{i(kz-omega t)}}

Donde λ = λ₀/n es la longitud de onda en el medio (cuyo índice refractivo es n) y T 1/f es el período de la ola. Aquí. e_x, e_Sí., h_x, y h_Sí. son números complejos. En la segunda forma más compacta, ya que estas ecuaciones se expresan habitualmente, estos factores se describen utilizando el número de onda k=2π π n/λ λ 0{displaystyle k=2pi n/lambda ¿Qué? y frecuencia angular (o "frecuencia radical") ⋅ ⋅ =2π π f{displaystyle omega =2pi f}. En una formulación más general con propagación no restringido a +z dirección, entonces la dependencia espacial kz es reemplazado por k→ → ⋅ ⋅ r→ → {displaystyle {vec}cdot} {fnK} Donde k→ → {displaystyle {vec}} se llama vector de onda, cuya magnitud es el número de onda.

Así los vectores líderes e y h cada uno contiene hasta dos componentes no cero (complejo) que describen la amplitud y fase de la onda x y Sí. componentes de polarización (de nuevo, no puede haber z componente de polarización para una onda transversal en el +z dirección). Para un medio dado con una impedancia característica .. {displaystyle eta }, h está relacionado con e por:

hSí.=ex.. {displaystyle ¿Qué? {fnK} {fnMicrosoft} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}}}}} {fnK} {f} {f}} {f}}}} {fnMicrosoft}}} {f}}}}}} {f}}}}}}}f}}}}}}}}}}}}f}}}f}}f}f}f}f}f} {f}}}f}}}}}}}}f}f}f}f}f} {fnf}f}f}}f}f}f}fnfnf}f}fnf}fnfnfnfnfnfnf}f}}f}f}fn }

y

hx=− − eSí... {displaystyle h_{x}=-{frac {fnK} {fnMicrosoft} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}} {f}} {f}} {fn}} {f}}}}} {fnK}} {f}} {f}}} {f}} {f}}}} {f}}}}}}}}} {f} {f}}}}}}f}}}}}}}f}}}}f}}}f}f}f}f}f}f}f}f}}}}f}f}}}}}f}}f}}}fnfnfnf}f}}}}}}}fnf}fnfnfnf}fnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnf}}fn }.

En un dieléctrico, η es real y tiene el valor η₀/n, donde n es el índice de refracción y η₀ es la impedancia del espacio libre. La impedancia será compleja en un medio conductor. Tenga en cuenta que dada esa relación, el producto escalar de E y H debe ser cero:

E→ → ()r→ → ,t)⋅ ⋅ H→ → ()r→ → ,t)=exhx+eSí.hSí.+ezhz=ex()− − eSí... )+eSí.()ex.. )+0⋅ ⋅ 0=0{fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}cdot {vec {}left({vec {r},tright)=e_{x}h_{y}h_{y}+e_{z}h_{z}h=e_=e_{x} {c} {c} {c} {c} {c} {c} {c} {c}c}c} {c}c}c}c}c}c}cc}c}c}c}ccc}cc}c}c}ccccccccccccccccccc}c}c}cc}c}ccc}ccc}cc}c}cc} {fnK} {fnMicrosoft Sans Serif} [E_{x} {eta}}right)+0cdot 0=0}

lo que indica que estos vectores son ortogonales (en ángulo recto entre sí), como se esperaba.

Entonces, conociendo la dirección de propagación (+z en este caso) y η, también se puede especificar la onda en términos de e_x y e_y que describen el campo eléctrico. El vector que contiene e_x y e_y (pero sin el componente z que es necesariamente cero para una onda transversal) se conoce como vector de Jones. Además de especificar el estado de polarización de la onda, un vector general de Jones también especifica la magnitud y la fase generales de esa onda. Específicamente, la intensidad de la onda de luz es proporcional a la suma de las magnitudes al cuadrado de los dos componentes del campo eléctrico:

I=()SilencioexSilencio2+SilencioeSí.Silencio2)12.. {displaystyle I=left(left habite_{x}right forever^{2}+left habite_{y}right sobre la vida),{frac {1}{2eta] }

sin embargo la onda estado de polarización sólo depende del (complejo) ratio de e_Sí. a e_x. Así que vamos a considerar las olas Silencio_xSilencio² + Silencio_Sí.Silencio² = 1; esto sucede que corresponde a una intensidad de alrededor. 00133 vatios por metro cuadrado en espacio libre (donde .. ={displaystyle eta =} .. 0{displaystyle eta ¿Qué?). Y puesto que la fase absoluta de una ola no es importante para discutir su estado de polarización, estipulemos que la fase de e_x es cero, en otras palabras e_x es un número real mientras e_Sí. puede ser complejo. Bajo estas restricciones, e_x y e_Sí. se puede representar de la siguiente manera:

ex=1+Q2{displaystyle E_{x}={sqrt {frac {1+Q}{2}}}

eSí.=1− − Q2eiφ φ {displaystyle ¿Qué? ¿Qué?

donde el estado de polarización está ahora completamente parametizado por el valor de Q (como que −1) Q 1) y la fase relativa φ φ {displaystyle phi }.

Ondas no transversales

Además de las ondas transversales, existen muchos movimientos ondulatorios en los que la oscilación no se limita a direcciones perpendiculares a la dirección de propagación. Estos casos están mucho más allá del alcance del artículo actual que se concentra en las ondas transversales (como la mayoría de las ondas electromagnéticas en medios a granel), sin embargo, uno debe tener en cuenta los casos en los que la polarización de una onda coherente no se puede describir simplemente usando un vector de Jones, como acabamos de hacer.

Solo considerando las ondas electromagnéticas, notamos que la discusión anterior se aplica estrictamente a las ondas planas en un medio no atenuante isotrópico homogéneo, mientras que en un medio anisotrópico (como los cristales birrefringentes como se analiza a continuación) el campo eléctrico o magnético puede tener efectos longitudinales. así como componentes transversales. En esos casos el desplazamiento eléctrico D y la densidad de flujo magnético B siguen obedeciendo a la geometría anterior pero debido a la anisotropía en la susceptibilidad eléctrica (o en la permeabilidad magnética), ahora dada por un tensor, la dirección de E (o H) puede diferir de la de D (o B). Incluso en medios isotrópicos, las denominadas ondas no homogéneas pueden lanzarse en un medio cuyo índice de refracción tiene una parte imaginaria significativa (o "coeficiente de extinción"), como los metales; estos campos tampoco son estrictamente transversales. Las ondas superficiales o las ondas que se propagan en una guía de ondas (como una fibra óptica) generalmente no son ondas transversales, pero pueden describirse como un modo transversal eléctrico o magnético, o un modo híbrido.

Incluso en el espacio libre, los componentes de campo longitudinales se pueden generar en regiones focales, donde se rompe la aproximación de onda plana. Un ejemplo extremo es la luz polarizada radial o tangencialmente, en cuyo foco el campo eléctrico o magnético respectivamente es totalmente longitudinal (a lo largo de la dirección de propagación).

Para las ondas longitudinales, como las ondas de sonido en los fluidos, la dirección de oscilación es, por definición, a lo largo de la dirección de viaje, por lo que normalmente ni siquiera se menciona el tema de la polarización. Por otro lado, las ondas de sonido en un sólido a granel pueden ser tanto transversales como longitudinales, para un total de tres componentes de polarización. En este caso, la polarización transversal está asociada con la dirección del esfuerzo cortante y el desplazamiento en direcciones perpendiculares a la dirección de propagación, mientras que la polarización longitudinal describe la compresión del sólido y la vibración a lo largo de la dirección de propagación. La propagación diferencial de polarizaciones transversales y longitudinales es importante en sismología.

Estado de polarización

oscilación del campo eléctrico

La polarización se comprende mejor considerando inicialmente solo estados de polarización puros y solo una onda sinusoidal coherente en alguna frecuencia óptica. El vector en el diagrama adyacente podría describir la oscilación del campo eléctrico emitido por un láser monomodo (cuya frecuencia de oscilación sería típicamente 10¹⁵ veces más rápida). El campo oscila en el plano x-y, a lo largo de la página, con la onda propagándose en la dirección z, perpendicular a la página. Los primeros dos diagramas a continuación trazan el vector de campo eléctrico durante un ciclo completo para la polarización lineal en dos orientaciones diferentes; cada uno de estos se considera un estado de polarización distinto (SOP). Tenga en cuenta que la polarización lineal a 45° también puede verse como la suma de una onda polarizada horizontalmente linealmente (como en la figura más a la izquierda) y una onda polarizada verticalmente de la misma amplitud en la misma fase.

Animación mostrando cuatro estados de polarización diferentes y tres proyecciones ortogonales.

Una onda polarizada circular como una suma de dos componentes polarizados linealmente 90° fuera de fase

Ahora, si se introdujera un cambio de fase entre esos componentes de polarización horizontal y vertical, generalmente se obtendría una polarización elíptica como se muestra en la tercera figura. Cuando el cambio de fase es exactamente de ±90°, entonces se produce polarización circular (cuarta y quinta cifras). Así se crea en la práctica la polarización circular, comenzando con luz polarizada linealmente y empleando una placa de cuarto de onda para introducir dicho cambio de fase. El resultado de dos de estos componentes desfasados al causar un vector de campo eléctrico giratorio se muestra en la animación de la derecha. Tenga en cuenta que la polarización circular o elíptica puede implicar una rotación del campo en sentido horario o antihorario. Estos corresponden a distintos estados de polarización, como las dos polarizaciones circulares que se muestran arriba.

Por supuesto, la orientación de los ejes x e y utilizados en esta descripción es arbitraria. La elección de dicho sistema de coordenadas y la visualización de la elipse de polarización en términos de las componentes de polarización x e y corresponde a la definición del vector de Jones (abajo) en términos de esas polarizaciones de base. Por lo general, uno elegiría los ejes para adaptarse a un problema particular, como que x esté en el plano de incidencia. Dado que hay coeficientes de reflexión separados para las polarizaciones lineales en y ortogonales al plano de incidencia (polarizaciones p y s, ver más abajo), esa elección simplifica enormemente el cálculo de un Reflexión de onda en una superficie.

Además, se pueden usar como funciones base cualquier par de estados de polarización ortogonal, no solo polarizaciones lineales. Por ejemplo, elegir polarizaciones circulares derecha e izquierda como funciones base simplifica la solución de problemas que implican birrefringencia circular (actividad óptica) o dicroísmo circular.

Elipse de polarización

Considere una onda monocromática puramente polarizada. Si uno trazara el vector del campo eléctrico sobre un ciclo de oscilación, generalmente se obtendría una elipse, como se muestra en la figura, correspondiente a un estado particular de polarización elíptica. Tenga en cuenta que la polarización lineal y la polarización circular pueden verse como casos especiales de polarización elíptica.

Un estado de polarización se puede describir en relación con los parámetros geométricos de la elipse, y su "manualidad", es decir, si la rotación alrededor de la elipse es en sentido de reloj o en contra. Una parametrización de la figura elíptica especifica la ángulo de orientación ↑, definido como el ángulo entre el eje principal de la elipse y el x-eje junto con el elíptico ε=a/b, la relación del eje mayor a menor. (también conocido como la relación axial). El parámetro elíptico es una parametrización alternativa de la excentricidad de un elipse e=1− − b2/a2,{textstyle e={sqrt {1-b^{2}/a^{2}}}} o el ángulo de elasticidad, χ χ =arctan⁡ ⁡ b/a{textstyle chi =arctan b/a} =arctan⁡ ⁡ 1/ε ε {textstyle =arctan 1/varepsilon } como se muestra en la figura. El ángulo χ es también significativo en que la latitud (ángulo del Ecuador) del estado de polarización representado en la esfera Poincaré (ver abajo) es igual a ±2χ. Los casos especiales de polarización lineal y circular corresponden a una ellipticidad ε de infinito y unidad (o χ de cero y 45° respectivamente.

Vector de Jones

La amplitud y la fase de las oscilaciones en dos componentes del vector de campo eléctrico en el plano de polarización también proporcionan información completa sobre un estado completamente polarizado. Esta representación se usó anteriormente para mostrar cómo son posibles diferentes estados de polarización. La información de amplitud y fase se puede representar convenientemente como un vector complejo bidimensional (el vector de Jones):

e=[a1eiSilencio Silencio 1a2eiSilencio Silencio 2].{displaystyle mathbf {e} ={begin{bmatrix}a_{1}e^{itheta ¿Qué? ¿Qué?

Aquí. a1{displaystyle A_{1} y a2{displaystyle a_{2} denota la amplitud de la onda en los dos componentes del vector de campo eléctrico, mientras Silencio Silencio 1{displaystyle theta ¿Qué? y Silencio Silencio 2{displaystyle theta _{2} representan las fases. El producto de un vector Jones con un complejo número de módulos de unidad da un vector Jones diferente que representa la misma elipse, y por lo tanto el mismo estado de polarización. El campo eléctrico físico, como parte real del vector Jones, sería alterado pero el estado de polarización es independiente de la fase absoluta. Los vectores de base utilizados para representar el vector Jones no necesitan representar estados de polarización lineal (es decir, ser reales). En general dos estados ortogonales se puede utilizar, donde un par vectorial ortogonal se define formalmente como uno que tiene un producto interno cero. Una opción común es polarizaciones circulares izquierdas y derechas, por ejemplo para modelar la propagación diferente de las ondas en dos componentes tales en medios circularmente birefringentes (ver abajo) o rutas de señal de detectores coherentes sensibles a la polarización circular.

Marco de coordenadas

Independientemente de si el estado de polarización se representa mediante parámetros geométricos o vectores de Jones, la orientación del marco de coordenadas está implícita en la parametrización. Esto permite un grado de libertad, a saber, la rotación alrededor de la dirección de propagación. Al considerar la luz que se propaga paralelamente a la superficie de la Tierra, los términos "horizontal" y "verticales" La polarización se usa a menudo, y la primera se asocia con el primer componente del vector de Jones, o ángulo de acimut cero. Por otro lado, en astronomía generalmente se usa el sistema de coordenadas ecuatoriales, con el acimut cero (o ángulo de posición, como se le llama más comúnmente en astronomía para evitar confusiones con el sistema de coordenadas horizontales) correspondiente al norte.

Designaciones S y p

vectores electromagnéticos para E{textstyle {textbf {E}}, B{textstyle {textbf {B}} y k{textstyle {textbf {k}} con E=E()x,Sí.){textstyle {textbf {E}={textbf {E}(x,y)} junto con 3 proyecciones planas y una superficie de deformación del campo eléctrico total. La luz está siempre s-polarizada en el plano xy. Silencio Silencio {textstyle theta } es el ángulo polar k{textstyle {textbf {k}} y φ φ E{textstyle varphi ¿Qué? es el ángulo azimutal de E{textstyle {textbf {E}}.

Otro sistema de coordenadas que se utiliza con frecuencia se relaciona con el plano de incidencia. Este es el plano formado por la dirección de propagación entrante y el vector perpendicular al plano de una interfaz, es decir, el plano en el que viaja el rayo antes y después de la reflexión o refracción. La componente del campo eléctrico paralela a este plano se denomina p-like (paralelo) y la componente perpendicular a este plano se denomina s-like (de senkrecht , alemán para perpendicular). La luz polarizada con su campo eléctrico a lo largo del plano de incidencia se denomina p-polarizada, mientras que la luz cuyo campo eléctrico es normal al plano de incidencia se denomina s-polarizada. La polarización P se conoce comúnmente como transversal-magnética (TM), y también se ha denominado pi-polarizada o plano tangencial polarizado . La polarización S también se denomina transversal-eléctrica (TE), así como sigma polarizada o plano sagital polarizado.

Grado de polarización

Grado de polarización (DOP) es una cantidad utilizada para describir la porción de una onda electromagnética que está polarizada. Una onda perfectamente polarizada tiene un DOP del 100 %, mientras que una onda no polarizada tiene un DOP del 0 %. Una onda que está parcialmente polarizada y, por lo tanto, puede representarse mediante la superposición de un componente polarizado y no polarizado, tendrá un DOP entre 0 y 100 %. DOP se calcula como la fracción de la potencia total que transporta el componente polarizado de la onda.

DOP se puede utilizar para mapear el campo de tensión en materiales cuando se considera el DOP de la fotoluminiscencia. La polarización de la fotoluminiscencia está relacionada con la tensión en un material a través del tensor de fotoelasticidad del material dado.

DOP también se visualiza mediante la representación de la esfera de Poincaré de un haz polarizado. En esta representación, DOP es igual a la longitud del vector medida desde el centro de la esfera.

Luz no polarizada y parcialmente polarizada

Implicaciones para la reflexión y la propagación

Polarización en la propagación de ondas

En el vacío, los componentes del campo eléctrico se propagan a la velocidad de la luz, por lo que la fase de la onda varía en el espacio y el tiempo mientras que el estado de polarización no. Es decir, el vector de campo eléctrico e de una onda plana en la dirección +z sigue:

e()z+Δ Δ z,t+Δ Δ t)=e()z,t)eik()cΔ Δ t− − Δ Δ z),{displaystyle mathbf {e} (z+Delta z,t+Delta t)=mathbf {e} (z,t)e^{ik(cDelta t-Delta z)},}

Donde k es el número de onda. Como se señaló anteriormente, el campo eléctrico instantáneo es la parte real del producto del vector Jones tiempos el factor de fase e− − i⋅ ⋅ t{displaystyle e^{-iomega t}. Cuando una onda electromagnética interactúa con la materia, su propagación se altera según el índice de refracción (complejo) del material. Cuando la parte real o imaginaria de ese índice refractivo depende del estado de polarización de una onda, las propiedades conocidas como birefringence y dicroism de polarización (o diattenuación) respectivamente, entonces el estado de polarización de una onda se alterará generalmente.

En tales medios, una onda electromagnética con cualquier estado de polarización dado puede descomponerse en dos componentes polarizados ortogonalmente que encuentran diferentes constantes de propagación. El efecto de la propagación sobre una ruta dada en esos dos componentes se caracteriza más fácilmente en forma de una matriz de transformación compleja de 2×2 J conocida como matriz de Jones:

e.=Je.{displaystyle mathbf {e'} =mathbf {J} mathbf {e}

La matriz de Jones debida al paso a través de un material transparente depende de la distancia de propagación y de la birrefringencia. La birrefringencia (así como el índice de refracción promedio) generalmente será dispersiva, es decir, variará en función de la frecuencia óptica (longitud de onda). Sin embargo, en el caso de materiales no birrefringentes, la matriz de Jones 2×2 es la matriz de identidad (multiplicada por un factor de fase escalar y un factor de atenuación), lo que implica que no hay cambios en la polarización durante la propagación.

Para los efectos de propagación en dos modos ortogonales, la matriz de Jones se puede escribir como

J=T[g100g2]T− − 1,{displaystyle mathbf {J} =mathbf {T} {begin{bmatrix}g_{1} {0 pulsag_{2}end{bmatrix}mathbf {T}

donde g₁ y g₂ son números complejos que describe el retardo de fase y posiblemente la atenuación de amplitud debido a la propagación en cada uno de los dos modos propios de polarización. T es una matriz unitaria que representa un cambio de base de estos modos de propagación al sistema lineal utilizado para los vectores de Jones; en el caso de birrefringencia lineal o diatenuación, los modos son en sí mismos estados de polarización lineal, por lo que T y T⁻¹ pueden omitirse si los ejes de coordenadas tienen sido elegido adecuadamente.

Birefringencia

En los medios denominados birrefringentes, en los que las amplitudes no cambian pero se produce un retraso de fase diferencial, la matriz de Jones es una matriz unitaria: |g₁| = |g₂| = 1. Los medios denominados diatenuantes (o dicroicos en el sentido de polarización), en los que solo las amplitudes de las dos polarizaciones se ven afectadas diferencialmente, pueden describirse utilizando una matriz hermítica (generalmente multiplicada por una fase común factor). De hecho, dado que cualquier matriz puede escribirse como el producto de matrices unitarias y hermitianas positivas, la propagación de la luz a través de cualquier secuencia de componentes ópticos dependientes de la polarización puede escribirse como el producto de estos dos tipos básicos de transformaciones.

Patrón de color de una caja de plástico que muestra la birefringencia inducida por el estrés cuando se coloca entre dos polarizadores cruzados.

En los medios birrefringentes no hay atenuación, pero dos modos acumulan un retraso de fase diferencial. Manifestaciones bien conocidas de birrefringencia lineal (es decir, en las que las polarizaciones básicas son polarizaciones lineales ortogonales) aparecen en placas/retardadores de ondas ópticas y muchos cristales. Si la luz polarizada linealmente pasa a través de un material birrefringente, su estado de polarización generalmente cambiará, a menos que su dirección de polarización sea idéntica a una de esas polarizaciones básicas. Dado que el cambio de fase, y por lo tanto el cambio en el estado de polarización, generalmente depende de la longitud de onda, tales objetos vistos bajo luz blanca entre dos polarizadores pueden dar lugar a efectos coloridos, como se ve en la fotografía adjunta.

La birrefringencia circular también se denomina actividad óptica, especialmente en fluidos quirales, o rotación de Faraday, cuando se debe a la presencia de un campo magnético a lo largo de la dirección de propagación. Cuando la luz polarizada linealmente pasa a través de un objeto de este tipo, saldrá todavía polarizada linealmente, pero con el eje de polarización girado. Una combinación de birrefringencia lineal y circular tendrá como polarizaciones base dos polarizaciones elípticas ortogonales; sin embargo, el término "birrefringencia elíptica" rara vez se usa.

Sendas tomadas por vectores en la esfera Poincaré bajo la birefringencia. Los modos de propagación (ejes de rotación) se muestran con líneas rojas, azules y amarillas, los vectores iniciales por líneas negras gruesas, y los caminos que toman por elipses coloreados (que representan círculos en tres dimensiones).

Se puede visualizar el caso de birrefringencia lineal (con dos modos de propagación lineal ortogonal) con una onda entrante polarizada linealmente en un ángulo de 45° con respecto a esos modos. A medida que comienza a acumularse una fase diferencial, la polarización se vuelve elíptica, cambiando eventualmente a polarización puramente circular (diferencia de fase de 90°), luego a polarización elíptica y finalmente lineal (fase de 180°) perpendicular a la polarización original, luego a circular nuevamente (270°). °), luego elíptica con el ángulo de acimut original, y finalmente de vuelta al estado polarizado lineal original (fase de 360°) donde el ciclo comienza de nuevo. En general, la situación es más complicada y puede caracterizarse como una rotación en la esfera de Poincaré alrededor del eje definido por los modos de propagación. En la figura de la izquierda se muestran ejemplos de birrefringencia lineal (azul), circular (rojo) y elíptica (amarillo). La intensidad total y el grado de polarización no se ven afectados. Si la longitud del camino en el medio birrefringente es suficiente, los dos componentes de polarización de un haz (o rayo) colimado pueden salir del material con un desplazamiento posicional, aunque sus direcciones finales de propagación sean las mismas (suponiendo que la cara de entrada y la cara de salida son paralelos). Esto se ve comúnmente usando cristales de calcita, que presentan al espectador dos imágenes ligeramente desplazadas, en polarizaciones opuestas, de un objeto detrás del cristal. Fue este efecto el que proporcionó el primer descubrimiento de la polarización, por Erasmus Bartholinus en 1669.

Dicroísmo

Los medios en los que se reduce preferentemente la transmisión de un modo de polarización se denominan dicroicos o diatenuantes. Al igual que la birrefringencia, la diatenuación puede ser con respecto a modos de polarización lineal (en un cristal) o modos de polarización circular (generalmente en un líquido).

Los dispositivos que bloquean casi toda la radiación en un modo se conocen como filtros polarizadores o simplemente "polarizadores". Esto corresponde a g₂=0 en la representación anterior de la matriz de Jones. La salida de un polarizador ideal es un estado de polarización específico (generalmente polarización lineal) con una amplitud igual a la amplitud original de la onda de entrada en ese modo de polarización. Se elimina la potencia en el otro modo de polarización. Por lo tanto, si la luz no polarizada pasa a través de un polarizador ideal (donde g₁=1 y g₂=0) se conserva exactamente la mitad de su potencia inicial. Los polarizadores prácticos, especialmente los polarizadores de hoja económicos, tienen pérdida adicional, de modo que g₁ < 1. Sin embargo, en muchos casos, la cifra de mérito más relevante es el grado de polarización o tasa de extinción del polarizador, que implica una comparación de g₁ a g₂. Dado que los vectores de Jones se refieren a ondas' amplitudes (en lugar de intensidad), cuando se ilumina con luz no polarizada, la potencia restante en la polarización no deseada será (g₂/g ₁)² de la potencia en la polarización prevista.

Reflexión especular

Además de la birrefringencia y el dicroísmo en los medios extendidos, los efectos de polarización que se pueden describir con matrices de Jones también pueden ocurrir en la interfaz (reflexiva) entre dos materiales de diferente índice de refracción. Estos efectos son tratados por las ecuaciones de Fresnel. Parte de la onda se transmite y parte se refleja; para un material dado, esas proporciones (y también la fase de reflexión) dependen del ángulo de incidencia y son diferentes para las polarizaciones s y p. Por lo tanto, el estado de polarización de la luz reflejada (incluso si inicialmente no está polarizada) generalmente cambia.

Una pila de placas en el ángulo de Brewster a un rayo refleja una fracción de la s- luz polarizada en cada superficie, dejando (después de muchas placas de este tipo) p- Un rayo polarizado.

Cualquier luz que incida sobre una superficie con un ángulo de incidencia especial conocido como ángulo de Brewster, donde el coeficiente de reflexión para la polarización p es cero, se reflejará solo con los s -polarización restante. Este principio se emplea en la llamada "pila de placas polarizadoras" (ver figura) en el que parte de la polarización s se elimina por reflexión en cada superficie de ángulo de Brewster, dejando solo la polarización p después de la transmisión a través de muchas de esas superficies. El coeficiente de reflexión generalmente más pequeño de la polarización p también es la base de las gafas de sol polarizadas; al bloquear la polarización s (horizontal), se elimina la mayor parte del deslumbramiento debido al reflejo de una calle mojada, por ejemplo.

En el importante caso especial de reflexión en incidencia normal (que no involucra materiales anisotrópicos) no hay una polarización particular s o p. Tanto los componentes de polarización x como y se reflejan de forma idéntica y, por lo tanto, la polarización de la onda reflejada es idéntica a la de la onda incidente. Sin embargo, en el caso de polarización circular (o elíptica), la orientación del estado de polarización se invierte, ya que por convención esto se especifica en relación con la dirección de propagación. La rotación circular del campo eléctrico alrededor de los ejes x-y llamados "diestros" para una onda en la dirección +z es "zurda" para una onda en la dirección -z. Pero en el caso general de reflexión en un ángulo de incidencia distinto de cero, no se puede hacer tal generalización. Por ejemplo, la luz polarizada circularmente a la derecha reflejada desde una superficie dieléctrica en un ángulo rasante, seguirá estando polarizada a la derecha (pero elípticamente). La luz polarizada lineal reflejada por un metal con una incidencia no normal generalmente se polarizará elípticamente. Estos casos se manejan utilizando vectores de Jones sobre los que actúan los diferentes coeficientes de Fresnel para los componentes de polarización s y p.

Técnicas de medición que involucran polarización

Algunas técnicas de medición óptica se basan en la polarización. En muchas otras técnicas ópticas, la polarización es crucial o al menos debe tenerse en cuenta y controlarse; tales ejemplos son demasiado numerosos para mencionarlos.

Medición de estrés

Estrés en vasos plásticos

En ingeniería, el fenómeno de la birrefringencia inducida por tensión permite observar fácilmente las tensiones en materiales transparentes. Como se señaló anteriormente y se ve en la fotografía adjunta, la cromaticidad de la birrefringencia generalmente crea patrones de color cuando se ve entre dos polarizadores. A medida que se aplican fuerzas externas, se observa la tensión interna inducida en el material. Además, la birrefringencia se observa con frecuencia debido a tensiones "congeladas en" en el momento de la fabricación. Esto se observa en la cinta de celofán, cuya birrefringencia se debe al estiramiento del material durante el proceso de fabricación.

Elipsometría

La elipsometría es una poderosa técnica para la medición de las propiedades ópticas de una superficie uniforme. Se trata de medir el estado de polarización de la luz después de la reflexión especular de dicha superficie. Esto normalmente se hace en función del ángulo de incidencia o la longitud de onda (o ambos). Dado que la elipsometría se basa en la reflexión, no se requiere que la muestra sea transparente a la luz o que su parte posterior sea accesible.

La elipsometría se puede utilizar para modelar el índice de refracción (complejo) de una superficie de un material a granel. También es muy útil para determinar los parámetros de una o más capas de película delgada depositadas sobre un sustrato. Debido a sus propiedades de reflexión, no solo se predice la magnitud de los componentes de polarización p y s, sino también sus cambios de fase relativos tras la reflexión, en comparación con las mediciones realizadas con un elipsómetro. Un elipsómetro normal no mide el coeficiente de reflexión real (que requiere una cuidadosa calibración fotométrica del haz de iluminación), sino la relación de las reflexiones p y s, así como el cambio de elipticidad de polarización (de ahí el nombre) inducida por la reflexión de la superficie que se está estudiando. Además del uso en ciencia e investigación, los elipsómetros se utilizan in situ para controlar procesos de producción, por ejemplo.

Geología

Fotomicrografía de un grano de arena volcánica; la imagen superior es la luz polarizada plana, la imagen inferior es la luz cruzada, la caja de escala en el centro izquierdo es 0.25 milímetro.

La propiedad de la birrefringencia (lineal) está muy extendida en los minerales cristalinos y, de hecho, fue fundamental en el descubrimiento inicial de la polarización. En mineralogía, esta propiedad se explota con frecuencia utilizando microscopios de polarización, con el fin de identificar minerales. Ver mineralogía óptica para más detalles.

Las ondas de sonido en materiales sólidos exhiben polarización. La propagación diferencial de las tres polarizaciones a través de la tierra es crucial en el campo de la sismología. Las ondas sísmicas polarizadas horizontal y verticalmente (ondas de corte) se denominan SH y SV, mientras que las ondas con polarización longitudinal (ondas de compresión) se denominan ondas P.

Química

Hemos visto (arriba) que la birrefringencia de un tipo de cristal es útil para identificarlo y, por lo tanto, la detección de birrefringencia lineal es especialmente útil en geología y mineralogía. La luz polarizada linealmente generalmente tiene su estado de polarización alterado al transmitirse a través de un cristal de este tipo, lo que hace que se destaque cuando se ve entre dos polarizadores cruzados, como se ve en la fotografía de arriba. Asimismo, en química, la rotación de los ejes de polarización en una solución líquida puede ser una medida útil. En un líquido, la birrefringencia lineal es imposible, sin embargo, puede haber una birrefringencia circular cuando una molécula quiral está en solución. Cuando los enantiómeros de mano derecha e izquierda de una molécula de este tipo están presentes en números iguales (una llamada mezcla racémica), entonces sus efectos se anulan. Sin embargo, cuando solo hay uno (o preponderancia de uno), como suele ser el caso de las moléculas orgánicas, se observa una birrefringencia circular neta (o actividad óptica), que revela la magnitud de ese desequilibrio. (o la concentración de la propia molécula, cuando se puede suponer que sólo está presente un enantiómero). Esto se mide utilizando un polarímetro en el que la luz polarizada pasa a través de un tubo del líquido, al final del cual hay otro polarizador que se gira para anular la transmisión de luz a través de él.

Astronomía

En muchas áreas de la astronomía, el estudio de la radiación electromagnética polarizada del espacio exterior es de gran importancia. Aunque no suele ser un factor en la radiación térmica de las estrellas, la polarización también está presente en la radiación procedente de fuentes astronómicas coherentes (por ejemplo, máseres de hidroxilo o metanol) y fuentes incoherentes como los grandes lóbulos de radio de las galaxias activas y la radiación de radio púlsar (que puede, se especula, a veces ser coherente), y también se impone a la luz de las estrellas por la dispersión del polvo interestelar. Además de proporcionar información sobre las fuentes de radiación y dispersión, la polarización también analiza el campo magnético interestelar a través de la rotación de Faraday. La polarización del fondo cósmico de microondas se está utilizando para estudiar la física del universo muy primitivo. La radiación de sincrotrón está inherentemente polarizada. Se ha sugerido que las fuentes astronómicas causaron la quiralidad de las moléculas biológicas en la Tierra.

Aplicaciones y ejemplos

Gafas de sol polarizadas

Efecto de un polarizador sobre la reflexión de los pisos de barro. En la imagen de la izquierda, el polarizador orientado horizontalmente transmite preferentemente esas reflexiones; girando el polarizador por 90° (derecha) como se vería utilizando los bloques polarizados de anteojos de sol casi todos especulamente reflejados.

Uno puede probar si las gafas de sol se polarizan mirando a través de dos pares, con un perpendicular al otro. Si ambos están polarizados, toda la luz será bloqueada.

La luz no polarizada, después de ser reflejada por una superficie especular (brillante), generalmente obtiene un grado de polarización. Este fenómeno fue observado en 1808 por el matemático Étienne-Louis Malus, que dio nombre a la ley de Malus. Las gafas de sol polarizadas aprovechan este efecto para reducir el deslumbramiento de los reflejos de las superficies horizontales, en particular, la carretera vista en un ángulo rasante.

Los usuarios de anteojos de sol polarizados ocasionalmente observarán efectos de polarización involuntarios, como efectos birrefringentes dependientes del color, por ejemplo, en vidrio templado (por ejemplo, ventanas de automóviles) o artículos hechos de plástico transparente, junto con la polarización natural por reflexión o dispersión. La luz polarizada de los monitores LCD (ver más abajo) es muy visible cuando se usan.

Polarización del cielo y fotografía

Los efectos de un filtro polarizador (imagen derecha) en el cielo en una fotografía

La polarización se observa en la luz del cielo, ya que se debe a la luz solar dispersada por los aerosoles a su paso por la atmósfera terrestre. La luz dispersa produce el brillo y el color en cielos despejados. Esta polarización parcial de la luz dispersa se puede utilizar para oscurecer el cielo en las fotografías, aumentando el contraste. Este efecto se observa con mayor fuerza en los puntos del cielo que forman un ángulo de 90° con el Sol. Los filtros polarizadores utilizan estos efectos para optimizar los resultados de fotografiar escenas en las que interviene el reflejo o la dispersión del cielo.

fringes coloreados en el Embassy Gardens Sky Pool cuando se ve a través de un polarizador, debido a la birefringencia inducida por el estrés en la luz del cielo

La polarización del cielo se ha utilizado para la orientación en la navegación. La brújula celeste de Pfund se utilizó en la década de 1950 cuando se navegaba cerca de los polos del campo magnético de la Tierra cuando ni el sol ni las estrellas eran visibles (por ejemplo, bajo las nubes durante el día o el crepúsculo). Se ha sugerido, de manera controvertida, que los vikingos explotaron un dispositivo similar (la "piedra solar") en sus extensas expediciones a través del Atlántico Norte en los siglos IX al XI, antes de la llegada de la brújula magnética de Asia a Europa en el siglo XII. Relacionado con la brújula del cielo está el "reloj polar", inventado por Charles Wheatstone a finales del siglo XIX.

Tecnologías de visualización

El principio de la tecnología de pantalla de cristal líquido (LCD) se basa en la rotación del eje de polarización lineal por la matriz de cristal líquido. La luz de la luz de fondo (o la capa reflectante trasera, en dispositivos que no incluyen o requieren una luz de fondo) pasa primero a través de una hoja de polarización lineal. Esa luz polarizada pasa a través de la capa de cristal líquido real que puede estar organizada en píxeles (para un televisor o un monitor de computadora) o en otro formato, como una pantalla de siete segmentos o una con símbolos personalizados para un producto en particular. La capa de cristal líquido se produce con una quiralidad constante hacia la derecha (o hacia la izquierda), y consiste esencialmente en pequeñas hélices. Esto provoca una birrefringencia circular y está diseñado para que haya una rotación de 90 grados del estado de polarización lineal. Sin embargo, cuando se aplica un voltaje a través de una celda, las moléculas se enderezan, disminuyendo o perdiendo totalmente la birrefringencia circular. En el lado de visualización de la pantalla hay otra hoja de polarización lineal, generalmente orientada a 90 grados de la que está detrás de la capa activa. Por lo tanto, cuando se elimina la birrefringencia circular mediante la aplicación de un voltaje suficiente, la polarización de la luz transmitida permanece en ángulo recto con el polarizador frontal y el píxel aparece oscuro. Sin embargo, sin voltaje, la rotación de 90 grados de la polarización hace que coincida exactamente con el eje del polarizador frontal, permitiendo el paso de la luz. Los voltajes intermedios crean una rotación intermedia del eje de polarización y el píxel tiene una intensidad intermedia. Las pantallas basadas en este principio están muy extendidas y ahora se utilizan en la gran mayoría de los televisores, monitores de computadora y proyectores de video, lo que hace que la tecnología CRT anterior sea esencialmente obsoleta. El uso de la polarización en el funcionamiento de las pantallas LCD es evidente de inmediato para alguien que usa gafas de sol polarizadas, lo que a menudo hace que la pantalla sea ilegible.

En un sentido totalmente diferente, la codificación de polarización se ha convertido en el método líder (pero no el único) para entregar imágenes separadas al ojo izquierdo y derecho en pantallas estereoscópicas utilizadas para películas en 3D. Esto implica imágenes separadas destinadas a cada ojo, ya sea proyectadas desde dos proyectores diferentes con filtros polarizadores orientados ortogonalmente o, más típicamente, desde un solo proyector con polarización multiplexada en el tiempo (un dispositivo de polarización alterna rápida para cuadros sucesivos). Las gafas 3D polarizadas con filtros polarizadores adecuados garantizan que cada ojo reciba solo la imagen deseada. Históricamente, estos sistemas usaban codificación de polarización lineal porque era económica y ofrecía una buena separación. Sin embargo, la polarización circular hace que la separación de las dos imágenes sea insensible a la inclinación de la cabeza, y hoy en día se usa ampliamente en la exhibición de películas en 3D, como el sistema de RealD. Proyectar tales imágenes requiere pantallas que mantengan la polarización de la luz proyectada cuando se ve reflejada (como las pantallas plateadas); una pantalla de proyección blanca difusa normal provoca la despolarización de las imágenes proyectadas, lo que la hace inadecuada para esta aplicación.

Aunque ahora son obsoletas, las pantallas de computadora CRT sufrieron reflejos en la cubierta de vidrio, lo que provocó el resplandor de las luces de la habitación y, en consecuencia, un contraste deficiente. Se emplearon varias soluciones antirreflectantes para mejorar este problema. Una solución utilizó el principio de reflexión de la luz polarizada circularmente. Un filtro polarizador circular frente a la pantalla permite la transmisión de (digamos) solo la luz de la habitación polarizada circularmente a la derecha. Ahora, la luz polarizada circularmente a la derecha (según la convención utilizada) tiene la dirección de su campo eléctrico (y magnético) girando en el sentido de las agujas del reloj mientras se propaga en la dirección +z. Tras la reflexión, el campo todavía tiene la misma dirección de rotación, pero ahora la propagación está en la dirección −z, lo que hace que la onda reflejada izquierda tenga una polarización circular. Con el filtro de polarización circular correcto colocado frente al vidrio reflectante, la luz no deseada reflejada por el vidrio estará en un estado de polarización muy bloqueado por ese filtro, eliminando el problema del reflejo. La inversión de la polarización circular en el reflejo y la eliminación de los reflejos de esta manera se pueden observar fácilmente mirándose en un espejo mientras se usan anteojos para películas en 3D que emplean polarización circular izquierda y derecha en las dos lentes. Cerrando un ojo, el otro ojo verá un reflejo en el que no puede verse a sí mismo; esa lente parece negra. Sin embargo, la otra lente (la del ojo cerrado) tendrá la polarización circular correcta, lo que permitirá que el ojo cerrado sea visto fácilmente por el ojo abierto.

Transmisión y recepción de radio

Todas las antenas de radio (y microondas) utilizadas para transmitir o recibir están intrínsecamente polarizadas. Transmiten (o reciben señales de) una polarización particular, siendo totalmente insensibles a la polarización opuesta; en ciertos casos esa polarización es una función de la dirección. La mayoría de las antenas están nominalmente polarizadas linealmente, pero la polarización elíptica y circular es una posibilidad. Como es la convención en óptica, la "polarización" de una onda de radio se entiende que se refiere a la polarización de su campo eléctrico, estando el campo magnético en una rotación de 90 grados con respecto a él para una onda polarizada linealmente.

La gran mayoría de las antenas tienen polarización lineal. De hecho, se puede demostrar a partir de consideraciones de simetría que una antena que se encuentra completamente en un plano que también incluye al observador, solo puede tener su polarización en la dirección de ese plano. Esto se aplica a muchos casos, lo que permite inferir fácilmente la polarización de una antena de este tipo en una dirección de propagación prevista. Por lo tanto, una típica antena Yagi o logarítmica periódica de techo con conductores horizontales, vista desde una segunda estación hacia el horizonte, está necesariamente polarizada horizontalmente. Pero una "antena de látigo" vertical o la torre de transmisión de AM utilizada como elemento de antena (nuevamente, para los observadores desplazados horizontalmente de ella) transmitirá en polarización vertical. Una antena de torniquete con sus cuatro brazos en el plano horizontal, también transmite radiación polarizada horizontalmente hacia el horizonte. Sin embargo, cuando esa misma antena de torniquete se usa en el "modo axial" (hacia arriba, para la misma estructura orientada horizontalmente) su radiación está polarizada circularmente. En elevaciones intermedias está polarizado elípticamente.

La polarización es importante en las comunicaciones por radio porque, por ejemplo, si se intenta utilizar una antena con polarización horizontal para recibir una transmisión con polarización vertical, la intensidad de la señal se reducirá sustancialmente (o, en condiciones muy controladas, se reducirá a cero). Este principio se utiliza en la televisión por satélite para duplicar la capacidad del canal en una banda de frecuencia fija. El mismo canal de frecuencia se puede utilizar para dos señales emitidas en polarizaciones opuestas. Al ajustar la antena receptora para una u otra polarización, cualquiera de las señales puede seleccionarse sin interferencia de la otra.

Especialmente debido a la presencia de tierra, existen algunas diferencias en la propagación (y también en los reflejos responsables del efecto fantasma de la televisión) entre las polarizaciones horizontal y vertical. Las transmisiones de radio AM y FM generalmente usan polarización vertical, mientras que la televisión usa polarización horizontal. Especialmente a bajas frecuencias, se evita la polarización horizontal. Esto se debe a que la fase de una onda polarizada horizontalmente se invierte al reflejarse en el suelo. Una estación lejana en la dirección horizontal recibirá tanto la onda directa como la reflejada, que tenderán así a cancelarse entre sí. Este problema se evita con la polarización vertical. La polarización también es importante en la transmisión de pulsos de radar y la recepción de reflejos de radar por la misma antena o por una diferente. Por ejemplo, la retrodispersión de los pulsos de radar por las gotas de lluvia se puede evitar mediante el uso de polarización circular. Así como la reflexión especular de la luz polarizada circularmente invierte el sentido de la polarización, como se discutió anteriormente, el mismo principio se aplica a la dispersión por objetos mucho más pequeños que una longitud de onda, como las gotas de lluvia. Por otro lado, el reflejo de esa onda por un objeto metálico irregular (como un avión) normalmente introducirá un cambio en la polarización y la recepción (parcial) de la onda de retorno por la misma antena.

El efecto de los electrones libres en la ionosfera, junto con el campo magnético terrestre, provoca la rotación de Faraday, una especie de birrefringencia circular. Este es el mismo mecanismo que puede hacer girar el eje de polarización lineal de los electrones en el espacio interestelar, como se menciona a continuación. La magnitud de la rotación de Faraday causada por un plasma de este tipo es muy exagerada en frecuencias más bajas, por lo que en las frecuencias de microondas más altas utilizadas por los satélites el efecto es mínimo. Sin embargo, las transmisiones de onda media o corta recibidas después de la refracción por la ionosfera se ven fuertemente afectadas. Dado que la trayectoria de una onda a través de la ionosfera y el vector del campo magnético terrestre a lo largo de dicha trayectoria son bastante impredecibles, una onda transmitida con polarización vertical (u horizontal) generalmente tendrá una polarización resultante en una orientación arbitraria en El receptor.

polarización circular a través de una ventana de plástico avión, 1989

Polarización y visión

Muchos animales son capaces de percibir algunos de los componentes de la polarización de la luz, por ejemplo, la luz polarizada lineal horizontalmente. Esto se usa generalmente con fines de navegación, ya que la polarización lineal de la luz del cielo siempre es perpendicular a la dirección del sol. Esta habilidad es muy común entre los insectos, incluidas las abejas, que utilizan esta información para orientar sus danzas comunicativas. La sensibilidad a la polarización también se ha observado en especies de pulpos, calamares, sepias y camarones mantis. En el último caso, una especie mide los seis componentes ortogonales de la polarización y se cree que tiene una visión de polarización óptima. Los patrones de piel de colores vivos y que cambian rápidamente de la sepia, utilizados para la comunicación, también incorporan patrones de polarización, y se sabe que el camarón mantis tiene tejido reflectante selectivo de polarización. Se pensaba que la polarización del cielo era percibida por las palomas, lo que se suponía que era una de sus ayudas para buscar el hogar, pero la investigación indica que se trata de un mito popular.

El ojo humano desnudo es débilmente sensible a la polarización, sin necesidad de filtros intermedios. La luz polarizada crea un patrón muy tenue cerca del centro del campo visual, llamado pincel de Haidinger. Este patrón es muy difícil de ver, pero con la práctica se puede aprender a detectar la luz polarizada a simple vista.

Momento angular usando polarización circular

Es bien sabido que la radiación electromagnética lleva un cierto momento lineal en la dirección de propagación. Además, sin embargo, la luz lleva un cierto momento angular si está polarizada circularmente (o parcialmente). En comparación con frecuencias más bajas como las microondas, la cantidad de momento angular en la luz, incluso de polarización circular pura, en comparación con el momento lineal de la misma onda (o presión de radiación) es muy pequeña y difícil de medir. Sin embargo, se utilizó en un experimento para alcanzar velocidades de hasta 600 millones de revoluciones por minuto.