V elektrodynamice je polarizace vlastností elektromagnetického záření. Popisována je směrem, v jakém kmitá vektor elektrické intenzity. Pokud kmitá v jednom směru, je záření polarizované, pokud kmitá nahodile, je nepolarizované.

Z hlediska polarizace je významným zářením světlo – polarizace světla se uplatňuje v optice, astronomii a dalších oborech. Světlo z přírodních zdrojů –Slunce, oheň, žárovka (rozžhavený wolfram) je nepolarizované. Lidské oko není běžně schopno rozlišit polarizované a nepolarizované světlo.

Ne každému elektromagnetickému záření lze přiřadit polarizaci.

Druhy polarizace Na rozdíl od mechanického vlnění, jako je například zvuk, má elektromagnetické záření dvě složky, vektory elektrického a magnetického pole. Tyto vektory jsou kolmé navzájem, a oba jsou též kolmé na směr šíření vlny.

Vektory elektrického a magnetického pole jsou kolmé ve většině případů, a to když vlnění prochází izotropním prostředím – vakuem, vzduchem, kapalinami atd. V anizotropním prostředí kolmé být nemusí a popis šíření vlny je složitější – typicky se jedná o průchod krystaly.

U záření se rozlišuje vertikální a horizontální směr kmitání vektoru elektrické intenzity, může se ale jednat i o směr vektoru magnetické indukce. Na tom, která složka je která, nezáleží, jedná se o dva na sebe kolmé směry a jejich volba záleží na orientaci pozorovatele. Na základě různých kombinací těchto dvou složek rozlišujeme 3 základní polarizace, a to jsou lineární, eliptická a kruhová polarizace.

Vertikální a horizontální složka dávají vzniknout různým polarizacím tím, že mohou být navzájem posunuté ve směru šíření. O lineární polarizaci hovoříme například, pokud jeho vektor elektrické intenzity kmitá na přímce. To nastává, právě pokud posun mezi vertikální a horizontální složkou je 0 nebo , kde je vlnová délka záření. Pro všechny ostatní velikosti posunu obíhá vektor po elipse a mluvíme o eliptické polarizaci. Ve speciálním případě, kdy vektor obíhá po kružnici mluvíme o kruhové polarizaci. Podle směru obíhání rozlišujeme levotočivou a pravotočivou polarizaci.Malý, str. 39-41 Nepolarizované záření Pokud danému záření nejsme schopni přiřadit žádnou polarizaci, je záření nepolarizované. Přírodní zdroje světla většinou produkují nepolarizované světlo (např. slunce, oheň, blesk, žárovka). Některé umělé zdroje světla produkují naopak světlo polarizované (displeje, laser). Nepolarizované světlo je takové, které obsahuje vlnění s různými polarizacemi v náhodných směrech, které jsou statisticky zastoupeny přibližně ve stejné míře. Elektrická intenzita v takovém světle nemá žádný význačný směr.

Člověk svým zrakem není schopen rozeznat polarizaci světla, některá zvířata toho ale schopna jsou (např. Strašek paví). Nepolarizované záření (světlo) lze polarizovat: odrazem záření (např. světlo odražené od oken nebo vody), polarizace odrazem je pouze částečná, úplné polarizace je dosaženo jen, když je úhel dopadu roven Brewestrovu úhlu) lomem záření, polarizace je opět jen částečná, rozptylem v materiálu, například Rayleighův rozptyl, průchodem dvojlomným materiálem, například islandským vápencem, průchod polarizačním filtrem, který propustí pouze jeden směr kmitání světla.

Teorie Rovinná vlna Nejjednodušší popis polarizace se vztahuje k rovinné vlně, což je dobrá aproximace pro většinu pozorovaného světla. Pro ně je vektor magnetického a elektrického pole kolmý na směr šíření. Vezmeme si tedy jimi danou rovinu (rovinu jejíž normálou je směr šíření). V této rovině se pohybuje vektor elektrického pole, rozložíme si ho na složky x' a y' ve směru os roviny (jak je běžné v analytické geometrii). Pro jednoduchou harmonickou vlnu se amplituda obou složek x' a y' mění způsobem popsatelným funkcí sinus se stejnou frekvencí, ale dva další parametry se mohou lišit – amplituda a fáze. Můžeme pozorovat, že tvar křivek vytvořených konci vektorů intenzity elektrického pole tvoří tvar Lissajousových křivek.

vpravo|300px|lineárně polarizovaná vlna

Podívejme se nejprve na speciální případ, kdy jsou obě ortogonální komponenty x' a y' ve fázi. V tomto případě jsou obě komponenty stále stejné či v konstantním poměru, takže směr vektoru elektrického pole bude stále stejný v rovině kolmé na směr šíření. Tento stav nazýváme lineární polarizace. Směr vektoru je dán velikostí amplitud obou složek a může být skloněn v libovolném konstantním směru. Na obrázku jsou červeně zachyceny některé vektory, jejich vrcholy jsou na sinusoidě (zelená barva). Modře je její průmět do roviny kolmé na směr pohybu.

vpravo|300px|kruhově polarizovaná vlna

Pokud mají obě složky x' a y' stejnou amplitudu a jejich fázový rozdíl je přesně π/2 radiánů (90°), pak je jedna složka nulová, když druhá nabývá minima či maxima (její absolutní hodnota nabývá maxima). Existují dvě možnosti jak toto realizovat. Složka x' může být o π/2 před či za komponentou y'. Elektrický vektor složený z těchto komponent v rovině kolmé na směr pohybu bude kroužit po kružnici. Tento stav nazýváme kruhovou polarizací a její dvě varianty pravotočivá kruhová polarizace a levotočivá kruhová polarizace. Na obrázku je zeleně zaznačen vývoj umístění vrcholu výsledného elektrického vektoru, modře je naznačena stěna válce na níž jsou všechny vrcholy. Podstava válce je shodná s průmětem vektorů do roviny kolmé na směr šíření.

vpravo|300px|elipticky polarizovaná vlna

Všechny ostatní případy polarizovaného světla, kde obě složky x' a y' nejsou ve fázi, ani nemají fázový rozdíl π/2 nebo nemají stejnou amplitudu, se nazývají obecně eliptická polarizace neboť výsledný vektor vykresluje elipsu.

Nekoherentní záření Mnoho běžného záření je produkované množstvím nezávislých světelných zdrojů, jimi produkované světlo se pak nazývá nekoherentní, obecně nemají společnou frekvenci ani osu vyzařování. Proto nelze u takových zdrojů jednoznačně popsat chování vektorů intenzity elektrického pole. To však neznamená, že by polarizace byla vlastností jen koherentního záření, neboť i inkoherentní záření může vykazovat statistickou korelaci mezi komponentami elektrického pole, jež se dá interpretovat jako částečná polarizace, kterou lze popsat jako superpozici záření plně polarizovaného a nepolarizovaného.

Popis polarizace Polarizace se obvykle popisuje pomoci polarizační elipsy, zejména podle směru její hlavní poloosy a excentricity. Běžně se popisuje pomocí úhlu mezi hlavní poloosou a osou x a poměru délky poloos. Toto se užívá při geometrickém popisu polarizace, který má jen omezené využití

Celkovou informaci o stavu polarizace získáme také pomocí amplitud a fáze ortogonálních složek vektoru elektrického pole v rovině polarizace, jak bylo použito výše. Informace o amplitudě a fázi bývají reprezentovány pomocí dvojdimenzionálního komplexního vektoru zvaného Jonesův vektor:

Všimněte si, že vynásobení komplexní jednotkou se nezmění stav polarizace, daný její elipsou, ale jen elektrické pole o danou část fáze, kterou dané číslo reprezentuje. Elektrické pole závisí na fázi, ale polarizace nikoli. Báze vektorů pro representaci Jonesova vektoru nemusí representovat lineární stavy polarizace (nemusí být reálná). Obecně mohou posloužit jakékoli dva ortogonální stavy, ortogonální vektory jsou definovány tak, že mají nulový skalární součin. Častou volbou je pravo- a levotočivá kruhová polarizace pro model jejich odlišného šíření v opticky aktivních látkách.

Nehledě na to, zda polarizační elipsu popisujeme geometricky či pomocí matic, máme volnost v tom, jak si zvolíme směr souřadnicových os. Ty můžeme prakticky libovolně rotovat podél směru pohybu záření. To nám umožní zvolit si souřadnice s významem pro pozorovatele. Například pozorujeme-li záření souběžné se zemským povrchem, obvykle se používá termínů horizontální a vertikální mód, kde druhý vyjadřuje mód kolmý na zemský povrch. Naopak v astronomii se používá rovníkový souřadný systém. Další systém se používá při studiu odrazu. Jak je zobrazeno na obrázku, mód TE se nazývá transverzálně elektrický nebo ortogonální, neboť elektrická pole jsou ortogonální k rovině dopadu, mód TM transverzálně magnetický (TM), neboť magnetická pole jsou ortogonální k rovině dopadu. Alternativní pojmenování pro TM mód je paralelní, elektrické pole je paralelní s rovinou dopadu.

V případě částečně polarizovaného záření se Jonesův vektor mění v čase i prostoru. V tomto případě je vlnové pole spíše stochastické a můžeme získat jen statistické údaje o korelaci mezi složkami. Tato informace se vyjadřuje pomocí koherenční matice:

, kde lomené závorky vyjadřují průměr přes mnoho period

Šíření, lom a rozptyl Ve vakuu se elektrické pole šíří rychlostí světla, přičemž se mění fáze vlny, ale stav polarizace se nemění, což se popisuje rovnicí:

kde k je vlnové číslo a z je vzdálenost ve směr pohybu. Jak již bylo řečeno, výše reálná část Jonesova vektoru vyjadřuje amplitudu elektrického pole. Když elektromagnetické vlny interagují s látkou, vlastnosti jejich šíření se mění. Pokud to závisí na stavu polarizace, mění se i ta.

V mnoha typech látek dochází k rozkladu na dvě na sebe kolmé složky, které se šíří odlišně. K podobné situaci dochází i během zpracovávání signálů v detekčních zařízeních, jež zaznamenávají elektrické pole přímo. Šíření paprsku se dá vhodně popsat pomocí transformace popsané maticí 2×2 zvanou Jonesova matice:

Obecně Jonesova matice prostředí závisí na frekvenci vlny.

Pro šíření dvou ortogonálních módů lze Jonesovu matici psát takto:

,

kde g1 a g2 jsou komplexní čísla udávající změnu amplitudy a fáze daného módu a T je unitární matice reprezentující změnu báze ze zvolené báze šíření záření na bázi danou vlastností prostředí. Pro ta prostředí, v nichž se nemění amplituda, ale dochází ke změně fázového rozdílu mezi složkami, je Jonesova matice unitární. Pokud se mění jen amplituda, je Jonesova matice hermitovská. Jelikož lze „každou“ matici zapsat jako součin unitární a hermitovské matice, lze každé lineární šíření popsat jako součin těchto dvou typů transformací.

Média, ve kterých dochází k posunu fází složek, se nazývají dvojlomná. Dobře známou ukázkou tohoto jevu jsou fázové destičky, Faradayova rotace a optická aktivita. Snadno představitelný případ je, kdy máme dva lineární módy a přicházející světlo je polarizováno v úhlu 45 ° k nim, jak světlo prochází, mění se jeho polarizace na eliptickou, při posunutí o 90 ° na kruhovou, pak znovu eliptickou, při fázovém posunu 180 ° je lineárně polarizované kolmo ke vstupující vlně. Potom znovu přes stavy eliptické a kruhové polarizace se vrátí do původního stavu a cyklus může začít znovu.

Média, v nichž se rozdílně mění amplituda složek, se nazývají dichroická. Optické prvky, jež téměř nepropouštějí jednu složku, se nazývají polarizační filtry nebo polarizátory.

Příklady polarizace

Polarizace v každodenním životě Každé světlo odražené od rovinného předmětu je částečně polarizované. Jev lze pozorovat za pomoci polarizačního filtru drženého kolmo k rovině odrazu. Intenzita světla by se měla snížit. Filtr nepropouští světlo polarizované kolmo k jeho módu.

Polarizaci lze pozorovat polarizačním filtrem a otáčet s ním. Pokud na něj dopadá polarizované světlo mění se jas jim prošlého světla. Polarizaci lze pozorovat na světle procházejícím oblohou, kde dochází k jeho rozptylu. Tato částečná polarizace způsobuje bledou oblohu na snímcích.

Člověk pomocí zraku sice běžně nerozpozná, jestli je světlo polarizované, ale lidské oko na ani slabě citlivé je, viz Haidingerův snop.

Biologie