¿Cómo puede pasar la luz a través de un polarizador?

Question

El sol emite luz no polarizada. Hay infinitos grados en los que estos fotones están orientados. Un polarizador sólo deja pasar la luz con una orientación determinada.

En estadística, el área/corte infinitesimal de un único valor en una distribución de probabilidad continua carece prácticamente de significado, pero lo llamaré cero.

¿Cómo puede pasar luz a través de un polarizador si sólo se permite el paso de una "porción" del círculo continuo de orientaciones? ¿Es que los polarizadores permiten la luz dentro de un cierto grado de desviación de esa orientación?

Answer 1

Un polarizador no es un guardián que deja pasar a los fotones polarizados correctamente y dice "no pasarás" a los polarizados incorrectamente, o medio correctamente. Interactúa con todos y cada uno de ellos.

Cualquier dispositivo óptico pasivo (como un polarizador) tiene un efecto sobre la luz al absorber y reemitir fotones. Los fotones entrantes interactúan con el polarizador (que puede ser un cristal anisótropo o una rejilla de alambre o lo que sea) "sacudiendo" las partículas cargadas (en su mayoría electrones libres y ligados) que lo componen de un lado a otro.

Si tenemos un polarizador perfecto, los fotones polarizados 90 grados respecto al polarizador siempre serán absorbidos y, posiblemente, reflejados o desviados. Pero cuando son alcanzados por cualquier otro fotón, existe una probabilidad no nula de que vuelvan a emitir un fotón que viaje en la misma dirección, pero polarizado en paralelo al polarizador.

Answer 2

Un polarizador sólo deja pasar la luz de una orientación específica.

Un polarizador hace pasar la componente de la luz incidente que está alineada con su eje de polarización.

Cualquier polarización que no sea perfectamente perpendicular al eje de polarización tiene una componente distinta de cero paralela al eje.

Como resultado neto, la intensidad del haz transmitido, para un polarizador ideal y una entrada polarizada linealmente, es $I_0\cos^2\theta$ où $I_0$ es la intensidad del haz de entrada y $\theta$ es el ángulo entre el eje del polarizador y la polarización del campo E del haz.

Answer 3

¿Está familiarizado con la analogía de la cuerda en una rendija para la polarización?

La cuerda se coloca en una hendidura vertical. Si la meneas de izquierda a derecha, la ola se atasca en lo que parece un agujero estrecho. Si la mueves de arriba abajo, la onda puede pasar como si fuera un espacio vacío (que lo es). Si la mueves en diagonal, ocurre algo interesante. Más allá de la rendija, la cuerda se comportará como si la movieras verticalmente (más pequeña). La onda horizontal se suprime, pero como había algo de movimiento en el eje vertical, todavía hay algo que se propaga. Es decir, el polarizador cambia la onda que pones.

Se podría decir, en lugar de "Un polarizador sólo deja pasar la luz de una orientación específica" que "Un polarizador sólo deja pasar la luz de una orientación específica". fuera a la luz de una orientación específica". Puede satisfacer esa restricción bloqueando la luz o cambiando la orientación, y hace ambas cosas en alguna mezcla basada en la orientación de entrada. Puedes comprobarlo con dos polarizadores a 45 grados entre sí. Como del primero sólo sale luz polarizada verticalmente, si el segundo sólo pudiera aceptar luz a 45 grados sería negro. En cambio, acepta parte de la luz vertical pero la deja pasar con la nueva polarización.

Answer 4

Hay infinitos grados en los que estos fotones están orientados.

Si quieres decir que hay infinitos grados de libertad en la polarización del fotón, no es cierto. Como campo vectorial transversal, las ondas electromagnéticas sólo tienen dos grados de libertad. Dado que la ecuación de onda EM es lineal, obedece al principio de superposición; es decir, cualquier combinación lineal de soluciones es otra solución, por lo que aunque hay infinitas polarizaciones diferentes, como has señalado, sólo hay tres linealmente independientes polarizaciones para un campo vectorial, una de las cuales corresponde a las ondas longitudinales -prohibidas para las ondas EM-, lo que da dos grados de libertad.

Ahora que hemos establecido que en realidad sólo hay dos, en lugar de infinitas, polarizaciones propiamente distintas (es decir, ortogonales) (sujetas a una elección de base), podemos ver que tiene sentido decir que un polarizador simplemente bloquea una de ellas y deja pasar la otra. Por lo tanto, dado que la luz no polarizada contiene una mezcla de las polarizaciones transmitida y bloqueada, se dejará pasar una cantidad distinta de cero a través del polarizador.

Answer 5

Un polarizador hace que la luz entrante se descohesione en una distribución probabilística clásica de orientaciones. El espacio de polarización de la luz tiene dos dimensiones (complejas). Un polarizador produce resultados muy diferentes para la luz alineada con el polarizador y la luz alineada ortogonalmente a él. La interacción del polarizador con la luz y con el entorno provoca la decoherencia cuántica, que es el fenómeno por el que una superposición cuántica "colapsa" en una distribución clásica. (En lugar de que una moneda esté en una superposición cuántica de Cara y Cruz, el universo se divide en dos universos paralelos, donde en uno es 100% Cara y en el otro es 100% Cruz).

Supongamos una luz monocromática con una dirección fija, que incide directamente en el polarizador con un ángulo ortogonal, y un polarizador infinitamente fino situado a $z=0$ para concretar. La polarización de cualquier paquete de ondas de luz en $z=0$ puede descomponerse en una combinación lineal de dos vectores (con componentes complejos). Para antropomorfizar la situación y hacerla relatable, un polarizador toma el vector de polarización, lo descompone en 2 vectores en una base particular (uno que se alinea con la orientación del polarizador, y el ortogonal) y luego desecha la mitad que está alineada de manera incorrecta.

Como ves, en lugar de pensar en que la luz tiene la polarización justa para pasar, deberías pensar en cuál es la longitud del vector que se proyecta sobre el eje de polarización. (Imagen un poco tosca, pero que transmite la descripción matemática correcta, sin complicarse demasiado con números complejos, etc.).

Llamaremos a algo "polarizador" cuando observemos que hace que la luz se comporte como se ha descrito anteriormente. A un nivel más técnico, lo que ocurre es que un polarizador es un sistema que provoca la decoherencia de la luz en el componente que se alinea con la dirección del polarizador y la dirección ortogonal. Entonces, la teoría clásica de la probabilidad se hace cargo: en términos generales, cada fotón tiene un % de posibilidades de alinearse correctamente, y si es así, entonces pasa.