الضوء المستقطب

تظهر كل من الموجات المستعرضة والطولية ظواهر تداخل وحيود، على أن هناك ظاهرة واحدة لا تتجلى إلا مع الموجات المستعرضة وهي: الاستقطاب. ويمكننا تصوير الاستقطاب إذا تخيلنا الموجات المستعرضة التي تنشأ في حبل؛ فقد ينشأ العديد من الموجات التي تهتز في نفس الوقت في الحبل وتتخذ اتجاهات متباينة، بمعنى أن يتحرك بعضها في المستوى الأفقي والبعض الآخر في المستوى الرأسي بينما تبقى بعض الموجات التي لها مركبات في كل من المستويين. ومثل هذه الموجات المختلطة يطلق عليها موجات عير مستقطبة . افترض الآن أن الحبل يمر من خلال شق رأسي، سنسميه مستقطب كما هو موضح في الشكل (1). وسوف يوقف هذا الشق جميع المركبات الأفقية للموجات ولمن يسمح سوى للمحركة الموجية الرأسية بالمرور من خلاله. أي أن الموجة التي تتجاوز هذا المستقطب ستكون ذبذباتها في مستوى واحد فقط ولذا فهي تسمى موجة مستقطبة استوائياً. يومن فحص هذا الاستقطاب بإمرار الموجة المستقطبة خلال شق ثان بينه وبين الشق الأول زاوية مقدارها 90. وسوف يقوم الشق الثاني ــ وسنسميه المحلل ــ بصد الموجة كما يبين الشكل 1))، وبذلك لن تكتشف أية طاقة موجية فيما وراءه.

وعلى الجانب الآخر ، فالموجات الطولية مثل موجات الصوت تتكون من جزيئات تتذبذب في نفس اتجاه انتشار الموجة ولذلك لا يؤثر الشق في الحركات الطولية. أي أن الموجة الطولية غير قابلة للاستقطاب. ولإثبات أن موجة ما مستعرض فكل ما نحتاجه هو بيان أنها قابلة للاستقطاب.

الشكل (1): الاستقطاب المشاهد في الموجات الحادثة في حبل مشدود شبيه باستقطاب الضوء.

هناك عدد من الوسائل التي يمكن بواسطتها استقطاب الضوء، واثنتان من تلك الوسائل تتمان إما بالانعكاس ، والأخرى بجعل الضوء يمر عبر مادة مستقطبة. وهذه الوسيلة شبيهة جداً بالتي يقوم بها الشق باستقطاب موجة في حبل. ومثل تلك المادة المستقطبة يصنع من عشاء شفاف به بلورات إبرية الشكل من مادة يودوكبريتات الكينين* والتي ترتب في اتجاه واحد معين. وتتمتع هذه البلورات بخاصية السماح للمجال الكهربي بالمرور عبرها في الاتجاه المتعامد مع طول البلورات فقط. . ولذلك فإن الضوء غير المستقطب سوف يصبح مستقطبا استوائياً بعد مروره عبر تلك المادة. ويمكن بيان ذلك عند إمرار هذا الضوء عبر لوح مستقطب ثان تتجه بلوراته بزاوية مقداره 90^o بالنسبة لبلورات اللوح الأول . . وهذا من شأنه أن يصد جميع الضوء المتبقي (وهو يفعل ذلك فعلاً).

ويبين الشكل (2)  تفاصيل هذه الظاهرة ؛ ففي الجزء (أ) يسقط ضوء غير مستقطب على المستقطب الأول الذي يسمح للضوء المستقطب رأسياً فقط أن يمر، وتبين الأسهم الأرجوانية محور النفاذ في المستقطب وهو متعامد مع بلورات الأيودوكبريتات. وعندما يكون محور النفاذ في المستقطب الثاني ــ أو المحلل ــ متجهاً بزاوية مقدارها 90^o مع المستقطب الاول (الشكل (2 أ)) فإن كل الضور ويمنع من المرور.

الشكل(2) : يصبح الضوء مستقطباً استوائياً إذا مر عبر مستقطب. ويمر كل الضوء أو بعض أولا شيء منه على الإطلاق عبر المحلل، اعتماداً على اتجاه محوري النفاذ النسبي. وتشير الاسهم المرسومة على اللوحين المستقطبين إلى اتجاهات مركبات متجهات المجال الكهربي المستعرضة والتي يمسح بمرورها كل لوح.

والمحلل في الجزء(ب) متجه في نفس اتجاه المستقطب الاول وبذلك يسمح لكل الضوء المستقطب رأسي بالمرور. أما إذا كان محور النفاذ بالمحلل مائلاً بزاوية مقدارها θ على محور المستقطب، كما في (جـ) فإن الضوء المستقطب في مستوى محور المحلل هو الذي سينفذ.

والمجال الكهربي في الضوء غير المستقطب يتجه في جميع الاتجاهات بالتساوي عمودياً على اتجاه انتشار الضوء. . وعند استعمال مستقطب منفرد يسمح لمستوى واحد من التذبذب بالنفاذ، فإن شدة الضوء النافذ تنخفض إلى نصف قيمتها التي في الضوء الساقط غير المستقطب. وعندما يكون محور النقل بالمحلل مائلاً بزاوية مقدارها θ بالنسبة للمجال الكهربي للضوء الساقط على المحلل، فإن المركبة E cos θ للمجال هي فقط التي سيسمح لها بالنفاذ. وحيث أن شدة الضوء تتناسب مع مربع سعة المجال، فإنه يتضح أن الشدة النافذة من المحلل كما في الجزء(جـ) هي:

(1)              I _incident =  I_cransmitted

ومن التطبيقات الشائعة للمبادئ المستخدمة في صناعة أغشية البولارويد استعمالها فيبعض النظارات الشمسية، فإلي جانب أنها ملونة لخفض نفاذ الضوء، فإنها مصممة بحيث تكون محاور النفاذ بالأغشية رأسية عندما تلبس النظارة. وتقلل مثل تلك النظارات من "الوهج " لأن الضوء إذ ينعكس من أسطحها المستوية، يصبح مستقطباً جزيئاً في اتجاه يوازي السطح العاكس. . وأسطح المياه والطرق تقوم بدور الأسطح العاكسة ولذلك تتمتع النظارات المستقطبة بشعبية خاصة عند من يمارسون الصيد أو يقضون فترات طويلة في القيادة.

تعتمد درجة استقطاب الضوء المنعكس على زاوية سقوط الضوء على السطح العاكس ومعامل انكسار المادة العاكسة. وهناك زاوية سقوط واحدة خاصة تسمى زاوية بروستر (θ_B) التي يصبح فيها الضوء المنعكس مستقطباً بنسبة مائة في المائة. ويحدث هذا عندما يتعامد اتجاه الضوء المنعكس على اتجاه الضوء المنكسر داخل السطح. والشكل 3)) يصور هذا الموقف في حالة الحد الفاصل بين الهواء والزجاج.

الشكل 3)): (أ) استقطاب جزئي لضوء غير مستطب أصلاً، بواسطة الانعكاس من على سطح لوح زجاجي. (ب) استقطاب تام للضوء بواسطة الانعكاس من على لوح عند زاوية بروستر _Bθ ، حيث _B = n₁/n₂θ تتعامد ــ هنا ــت الموجات المنعكسة والمنكسرة ، وتكون كل متجهات المجال الكهربي فيا لضوء المنعكس موازية لسطح اللوح الزجاجي.

نستطيع الآن أن نطبق قانون " سنل " لنتعرف على كيفية اعتماد _Bθ على المواد المستخدمة؛ بالرجوع إلى الشكل (3 ب) ، نجد أن

وباستعمال بعض المتطابقات من حساب المثلثات (وعليك التحقق من هذه العلاقات إذا بدا أنها غير مألوفة لديك). ونجد ان:

إذا اقسمنا أحد طرفي المعادلة على الطرف الآخر، وتذكرنا أن:

فإننا نصل إلى معادلة بسيطة لزاوية "بروستر" :

(2)     

وكما هو الحال في جميع تطبيقات قانون سنل، فإن _Bθ تقاس بالنسبة للعمود المقام على السطح العاكس. والمقدار n في المعادلة (2) هو معامل انكسار الوسط الكاسر للضوء بالنسبة للوسط الذي يسقط فيه الضوء. ويلاحظ من الشكل 3)) أن الضوء المنعكس يكون مستقطباً بحيث يتوازى مجاله الكهربي مع السطح، كما يلاحظ أن الشعاع المنكسر مستطب جزيئاً.

يستخدم استقطاب الضوء في العديد من التطبيقات العلمية والتقنية. فالتفاصيل تبدو أوضح تحت الميكروسكوب، مثلاً، إذا تم فحصها بين لوحين مستقطبين متعامدين. فالأجزاء التي قد تبدو متشابهة في الضوء العادي : يمكن أن تختلف بشدة في مقدرتها على تغيير استقطاب الضوء النافذ. ومن ثم فإن التفاصيل التي لا يمكن ملاحظتها في ظروف معينة، تصبح أكثر وضوحاً ومن السهل رؤيتها. وعندما يوضع جسم شفاف تجت إجهاد مرتفع، فإن هذا الإجهاد يؤدي غالباً إلى دوران مستوى استقطاب الضوء النافذ. ونتيجة لذلك فإن الجسم الواقع تحت تأثير إجهادات غير منتظمة سيظهر حين يوضع بين مستقطبين متعامدين أشرطة متبادلة ما بين مظلم ومضيء كما في الشكل (4). وحيثما تكون الأشرطة أكثر تكدساً يكون الإجهاد في أقصى حالات عدم الانتظام. وبفحص النماذج المصنوعة من البلاستيك لأجسام منفعلة مثل التي في الشكل 4)) فإنه يصبح ممكناً الحكم بدقة على كيفية توزيع الإجهادات. وهذا الأمر على قدر كبير من الأهمية بالنسبة لتصميم الاجزاء المختلفة للآلات .

الشكل 4)): يظهر الجسم الواقع تحت تأثير الانفعالات، أشرطة متبادلة ما بين مظلم ومضيء عندما يوضح بين شريحتين متقاطعتين (متعامدتين) من البولارويد. ويكون تغير الإجهاد أكثر ما يمكن حيث تكون الأشرطة أكثر قرباً وتكدساً من بعضها البعض.