A polarizáció a transzverzális hullámok egy lehetséges tulajdonsága, ami azt jelenti, hogy a rezgés a haladás irányára merőleges, egyetlen síkban zajlik. Egyéb, nem polarizált hullám esetén a rezgések a haladás irányára merőlegesen, minden irányban végbemehetnek.
Mivel a longitudinális hullámoknál a rezgés iránya megegyezik a terjedés irányával, azért a longitudinális hullámok, például a gázokban terjedő hang nem polarizálhatók. Ezzel szemben az elektromágneses hullámok, például a fény transzverzálisak, azaz lehetnek polarizáltak. A longitudinális hullámokhoz hasonlóan a vízfelszíni hullámok rezgésirányának sincs szabadsági foka, nem változtatható meg, ezért nem polarizálhatónak tekintik őket.
Az elektromágneses hullámokban az elektromos és a mágneses mezők is rezegnek, de egymásra és a terjedési irányra is merőlegesek. Megállapodás szerint az elektromos mező rezgésirányát tekintik a polarizáció irányának. A polarizáció lehet lineáris, ami azt jelenti, hogy egy kitüntetett irányban rezeg, de lehet cirkuláris, amikor a rezgés síkja folyamatosan együtt forog a hullám haladásával. Ez az irány lehet az óramutató járása szerinti, vagy azzal ellentétes; ez a polarizáció kezessége vagy kiralitása.
A leggyakoribb optikai anyagok, például az üveg izotropikus, és a rajta áthaladó fény megőrzi polarizációját. Azonban vannak kettős törésű és optikailag aktív anyagok, amelyek a polarizációtól függően másként törik vagy megváltoztatják a fény polarizációját. A lineáris vagy cirkuláris dichroismus esetén az elnyelődés függ a polarizációtól. Erre példa a polarizátor, amelyik csak az egyik irányban polarizált fényt engedi át.
A polarizáció fontos tulajdonság azokon a tudományterületeken, amelyek transzverzális hullámok terjedését vizsgálják. Az optika mellett ilyen a szeizmológia, a rádió- és a mikrohullámok vizsgálata. Különböző technológiáknak is számolniuk kell vele, például a telekommunikációnak, a radarok és a lézerek gyártásának.
A kvantummechanika szerint az elektromágneses hullámok energiája, lineáris és szögmomentuma fotonokként kvantálható. Így megfeleltethető a hullám elektromágneses polarizációja a polarizációs operátoroknak, amelyek meghatározzák annak a valószínűségét, hogy a foton megtalálható-e az adott polarizációs állapotban. Részletesebben, a spin operátor megfeleltethető a cirkuláris polarizáció alapállapotainak, ahogy azt az elektromágneses mezőkkel leírjuk.
A polarizátor olyan eszköz, amely polarizálja a nem polarizált fényt, vagy a fényt a szűrő által meghatározott síkban szűri.
Bevezetés thumb|200px|Polarizáció gumiszálon: az előtérben cirkuláris, a hátrében lineáris polarizáció
Típusai A polarizációnak alapvetően három típusa van: a lineáris, a cirkuláris és az elliptikus polarizáció. Lineáris polarizáció: a kitérés iránya mindig ugyanaz marad, csak a kitérés nagysága és előjele változik. Az irány megadható egy rögzített síkhoz képest, így a függőleges vagy a vízszintes síkhoz viszonyítva vagy párhuzamos (p) és merőleges (s) komponensekként. Cirkuláris polarizáció: a kitérés nagysága változatlan, de iránya egyenletes sebességgel körbefordul a terjedés iránya mint tengely körül. Kétféle kezesség avagy kiralitás lehetséges: a jobb (RHCP) és a bal (LHCP), másként az óramutató járása szerinti vagy azzal ellentétes irány. Elliptikus polarizáció: a lineáris és a cirkuláris polarizáció keveréke. A kitérés ellipszist ír le.
Elektromágneses hullámok A legtöbb sugárzás a természetben alapvetően polarizálatlan, mivel termikus sugárzásból ered, azonban a szóródás és a visszaverődés miatt részben polarizálódik. A polarizálatlan hullám csak statisztikailag jellemezhető.
A határfelületekről való visszaverődés polarizáció szerint szelektál. Egyes rovarok azért nézik víznek a nagy üvegfelületet és az aszfaltot, mert ugyanolyan arányban ver vissza minden polarizációt, mint a vízfelület. Jellemzően a felülettel párhuzamosan polarizált fény nagyobb arányban lép be, és a rá merőleges nagyobb arányban verődik vissza.
Az ég kékje részben polarizált, mivel szórt fény. A szóródás csak statisztikailag írható le, mert függ a légkör sűrűségingadozásaitól és a molekulák pillanatnyi helyzetétől. A szórási szögtől való függést a Rayleigh-egyenletek írják le.
Látás
Számos állatfaj látja a fény polarizációját, vagy legalábbis annak néhány komponensét, például a vízszintes polarizációt. Ezt felhasználják tájékozódásukhoz, mivel az égbolt polarizációja merőleges a Napéra. Ez elterjedt a rovarok között, például a méheknél iránytű a táncok számára, amivel már Karl von Frisch is foglalkozott. Megfigyelték polipoknál, kalmároknál, tintahalaknál, de a legtökéletesebben a sáskarák látja a polarizációt, mivel mind a hat ortogonális orientációt észleli. Például a tintahalak élénk színű, gyorsan változó mintázatok felvételével kommunikálnak, amelyek a polarizációt is kihasználják. A sáskarákoknak polarizációra érzékeny tükröző szövetük van. Népszerű elképzelések szerint a galambok is képesek a polarizáció érzékelésére, de ezt egyes kutatások cáfolták."No evidence for polarization sensitivity in the pigeon electroretinogram", J. J. Vos Hzn, M. A. J. M. Coemans & J. F. W. Nuboer, The Journal of Experimental Biology, 1995. További fajok a hátonúszó poloska, és a Cataglyphis hangyák.Karl Fent: Polarized skylight orientation in the desert ant Cataglyphis. Journal of Comparative Physiology A, 158 (2), 1986, S. 145–150, .Rüdiger Wehner: Polarization vision – a uniform sensory capacity? The Journal of Experimental Biology 204, 2001, S. 2589–2596, PMID 11511675.
Az ember szabad szemmel gyengén észleli a polarizációt. A polarizált fény hatására egy nagyon halvány mintázat jelenik meg a látótér közepén, amit Haidinger-kefének neveznek. Ezt figyelve gyakorlással rá lehet tanulni a polarizáció látására.
Fizikai háttér Hullámterjedés és polarizáció
A legtöbb fényforrás inkoherens és polarizálatlan, mivel sokféle különböző térbeli tulajdonságú, frekvenciájú (színű), fázisú és polarizációjú fényt sugároz ki. Ezzel szemben a polarizáció jobban szemléltethető egy lézersugárral, ami koherens, és adott frekvenciájú. Még jobb, ha síkhullámokat veszünk, amelyek szinuszosak és irányuk, frekvenciájuk, fázisuk és polarizációjuk is egyezik. Ez alapján megmutatható, hogy bármely térbeli szerkezetű hullám felbontható síkhullámok kompozíciójára (szögspektrum). Az inkoherens állapot felfogható úgy is, mint különböző fázisú, polarizációjú és frekvenciájú hullámok keveréke.
Elektromágneses hullámok Az elektromágneses hullámokat általában transzverzálisnak tekintik, ha nem elnyelő, homogén és izotropikus közegben terjednek. Ez azt jelenti, hogy egy síkhullám elektromos mező vektora, E és mágneses vektora, H iránya merőleges a terjedési irányra, és egymásra is. Tekintsünk egy f frekvenciájú, λ vákuumbeli hullámhosszú (f = c/λ) hullámot, és vegyük fel a z tengelyt a terjedés irányába. Így E és H csak x és y irányú komponenseket tartalmaz. Komplex jelöléssel az elektromos és mágneses mezők a következő egyenletekben leírt mennyiségek valós részei. A t idő és z függvényében ezek a komplex mezők ezekkel az egyenletekkel írhatók le:
és
ahol n a közeg törésmutatója, λ/n a közegbeli hullámhossz, és T = 1/f a hullám periódusa. Itt ex, ey, hx, és hy komplex mennyiségek. A második, tömörebb írásmóddal ezeket a tényezőket a hullámszám és az szögfrekvencia fejezi ki. Általánosabban, a terjedés iránya nincs korlátozva, kz-t helyettesíti. Ekkor a hullámvektor, aminek nagysága a hullámszám.
Ezzel az e és a h vezérvektorok két nem nulla komplex komponensből állnak, amelyek a hullám amplitúdóját és frekvenciáját jellemzik. Egy adott η karakterisztikus impedanciájú közegben a h és az e között a következő kapcsolat áll fenn:
és .
Dielektrikumokban az η valós, és teljesül rá az η0/n egyenlet, ahol η0 a szabad tér impedanciája. Vezető közegben nem valós komplex értéket vesz fel. A fenti összefüggések alapján E és H skaláris szorzata nulla:
ami azt jelenti, hogy E és H merőlegesek egymásra.
A terjedési irány és η ismeretében meghatározhatjuk az elektromos mezőt jellemző ex és ey komponenseket. A z = 0 komponenst elhagyva ez a Jones-vektor. Az általános Jones-vektor amellett, hogy megadja a hullám polarizáltságát, amplitúdóját és fázisát is meghatározza. Speciálisan, a fény intenzitása arányos az elektromos mező komponensei nagyságának négyzetösszegével:
A polarizáció állapota ezzel szemben csak az ey : ex komplex aránytól függ. Mostantól feltesszük, hogy |ex|2 + |ey|2 = 1. Ez megfelel szabad téren 0,00133 watt/négyzetméter intenzitásnak, ahol . Mivel a hullám abszolút értéke érdektelen a polarizáltság szempontjából, azért feltehetjük azt is, hogy ex fázisa nulla, vagy más szavakkal, exvalós. Ezekkel a feltevésekkel ex és ey reprezentálható, mint:
ahol csak Q jellemzi a polarizációs állapotot, ahol -1 < Q < 1, és a relatív fázis. Megegyezés szerint az elektromágneses hullám polarizáltságát az elektromos mező polarizáltságával jellemezzük. Ehhez képest a mágneses mező polarizáltsága 90 fokkal el van forgatva, ahogy azt a fenti összefüggések is mutatják.
Nem tisztán transzverzális hullámok A fent leírtak mellett még vannak más hullámmozgások is, ahol a rezgések nincsenek korlátozva a terjedésre merőleges irányra. A transzverzális hullámok mellett még azokat az eseteket is figyelembe kell venni, amikor a koherens hullám polarizációja nem írható le egyértelműen a Jones-vektorral. Ez még az elektromágneses hullámokkal is megtörténhet, ha a közeg anizotróp, mint a kettős törésű kristályoknál.
Ezekben az esetekben a D elektromos eltolás és a B mágneses fluxus továbbra is a fenti geometriájú, de az elektromos szuszceptibilitás anizotrópiája miatt E iránya különbözhet D-től, és H iránya különbözhet B-től. Még izotróp közegben is, ha az inhomogén hullámok egy olyan közegbe érkeznek, amelynek komplex törésmutatójának nagy a képzetes része, azaz az elnyelési együtthatója, ezek a mezők nem lesznek szigorúan transzverzálisak.
Szabad térben a longitudinális komponensek fókusz régiókban generálhatók, ahol a síkhullám approximáció összeomlik. Extrém példa a radiálisan vagy érintő irányban, polarizált fény, aminek fókuszában az elektromos és a mágneses tér teljesen longitudinális.
Folyadékokban vagy gázokban a hanghullámok longitudinálisak, a polarizáció fel sem merül. Másrészt azonban szilárd testekben transzverzálisak is lehetnek. Ekkor a polarizáció irányát a nyírási feszültség határozza meg, de a terjedés irányára is merőleges. Egy másik komponens, amit longitudinális polarizációnak neveznek, a szilárd test összenyomódását és rezgését írja le a terjedés irányában. A különböző összetevők polarizációja a szeizmológiában fontos.
Polarizációs állapot
A polarizáció jobban megérthető, ha először csak tiszta polarizációs állapotokat tekintünk egy bizonyos frekvenciával. A diagramon a vektor egy egy módú lézer által kibocsátott elektromos mező rezgését mutatja, ami azonban 15 nagyságrenddel gyorsabban rezeg. A mező az x-y síkban rezeg, ami megegyezik a lap irányával, és a rezgés a lapra merőleges irányba terjed.
A következő diagramok közül az első kettő lineáris polarizációt jelenít meg. Ezek különböző állapotok, mivel irányuk nem egyezik. A 45 fokos polarizáció felbontható függőleges és vízszintes irányú polarizációra, amelyeknek amplitúdója és fázisa is egyezik. A többi diagram elliptikus polarizációt jelez, ami szintén kifejezhető vízszintes és függőleges irányú összetevőkkel, de most az összetevők között fáziseltolódás van. Ha ez éppen ±90°, akkor a polarizáció cirkuláris. Az eredmény egy forgó elektromos mező. A forgás iránya hozzátartozik a polarizációs állapothoz, így a diagramon ábrázolt két cirkuláris polarizáció különböző.