1. POLARIZACIÓN POR BIRREFRINGENCIA
La birrefringencia, o doble refracción, es un fenómeno
complicado que se presenta en la calcita y en otros cristales no
cúbicos y en algunos plásticos sometidos a tensión como el
celofán. En la mayoría de los materiales la velocidad de la luz es
la misma en todas las direcciones. Estos materiales son
isótropos. Debido a su estructura atómica, los materiales
birrefringentes son anisótropos. La velocidad de la luz depende
de su dirección de propagación a través del material. Cuando un
rayo de luz está incidiendo sobre estos materiales puede
separarse en dos rayos denominados rayo ordinario y rayo
extraordinario. Estos rayos están polarizados en direcciones
mutuamente perpendiculares y se propagan con diferentes
velocidades. Dependiendo de la orientación relativa del material
y de la luz incidente, los rayos pueden propagarse también en
direcciones diferentes.
Existe una dirección particular en un material birrefringente
en que ambos rayos se propagan con la misma velocidad. Esta
dirección se denomina eje óptico del material. Cuando la luz se
propaga a lo largo del eje óptico no ocurre nada inusual. Sin
embargo, cuando la luz está incidiendo en ángulo con respecto a
dicho eje óptico, los rayos se propagan en distintas direcciones
y emergen separados en el espacio. Si se hace girar el material,
el rayo extraordinario gira en el espacio.
Si la luz está incidiendo sobre una placa birrefringente de
modo que sea perpendicular a su cara cristalina y perpendicular
el eje óptico, los dos rayos se propagan en la misma dirección
pero con velocidades diferentes. El número de longitudes de
onda de los dos rayos contenidas en la placa es diferente porque
las longitudes de onda de ambos difieren entre sí. Los rayos
emergen con una diferencia de fase que depende del espesor de
la placa y de la longitud de la luz incidente.
Supongamos que la luz incidente está polarizada linealmente
de forma que el vector campo eléctrico forma un ángulo de 45º
con el eje óptico, como se indica en la siguiente figura
2. Los rayos ordinario y extraordinario parten en fase y tienen
amplitudes iguales. En el caso de una lámina de un cuarto de
onda, las ondas emergen con una diferencia de fase de 90º, de
modo que el campo eléctrico resultante tiene los siguientes
componentes
Ex= E0 sen wt
Ey= E0 sen (wt + 90º) = E0 cos wt
Por lo que el vector campo eléctrico rota barriendo un circulo y
la onda está polarizada circularmente.
Con una lámina de media onda, las ondas emergen con una
diferencia de fase de 180º, de modo que el campo eléctrico
resultante está polarizado linealmente con componentes
Ex= E0 sen wt
Ey= E0 sen (wt + 180º) = -E0 sen wt
El efecto neto es que la dirección de polarización de la onda ha
girado en 90º respecto de la luz incidente, como se ve en la
figura siguiente
3. ABSORCIÓN SELECTIVA O DICROÍSMO
Algunas sustancias anisótropas absorben las ondas ordinaria
y extraordinarias en proporciones diferentes de manera que
estas sustancias transmiten la luz que tiene su plano de
polarización paralelo a una dirección particular del material, y
absorbe fuertemente la luz que tiene su plano de polarización
perpendicular a esta dirección. Estas direcciones correspondes a
ciertas orientaciones moleculares y cristalinas. Una
representación de este fenómeno lo podemos observar en la
siguiente figura
En esta situación un haz de luz natural que se propague por
porción de material de este tipo lo suficientemente gruesa,
4. aparecerá gradualmente polarizado en un plano, ya que una de
las ondas, la ordinaria o la extraordinaria, será casi
completamente absorbida.
Algo importante que reseñar es que el fenómeno depende de
la longitud de onda de la luz incidente. Como ejemplo de
sustancias podríamos nombrar dos sustancias dicroicas
naturales como son la turmalina (borosilicato de aluminio), que
absorbe preferentemente el rayo ordinario, y
la hepatita (sulfato de yodoquinina), que tiene el inconveniente
de que sus cristales son muy quebradizos.
ACTIVIDAD ÓPTICA
Se llama así a un fenómeno relacionado con el carácter
transversal de la luz como es la rotación del plano de
polarización. Si un haz de luz polarizada pasa a través de una
sustancia ópticamente activa, la onda transmitida está
polarizada linealmente, pero en un plano que forma un ángulo
determinado con el plano de incidencia.
El valor de dicho ángulo es proporcional a la longitud que el
haz recorre en la sustancia y la naturaleza de la misma. Dichas
sustancias pueden ser dextrógiras o levógiras dependiendo de
que roten en el sentido horario o antihorario.
5. Se define la rotación específica o poder rotatorio como la
rotación producida por una columna de líquido de 10 cm. que
contiene 1 g. de sustancia activa por cada cm3
de disolución.
EFECTO FARADAY
El plano de vibración de la luz linealmente polarizada
incidente en ciertos materiales gira cuando se aplica un campo
magnético B en la dirección de propagación.
A esto se le conoce como efecto Faraday o magnetoóptico y
fue una de las primeras indicaciones de la interrelación del
electromagnetismo y la luz. El ángulo de rotación es
proporcional al campo magnético y a la longitud del medio
atravesado.
Hay numerosas aplicaciones prácticas del efecto Faraday.
Desde la llegada del laser en 1960, se viene utilizado el enorme
potencial de la luz laser como un medio de comunicación. Una
componente esencial de un sistema de comunicación es el
modulador, cuya funicón es imprimir información en el haz. Este
dispositivo debe tener la capacidad de variar la onda de luz a
lats velocidades y de forma controlada. Podría , por ejemplo
alterar la amplitud, la polarización, la dirección de propagación,
la fase o la frecuencia de onda de una manera con la señal que
se va a transmitir. Un ejemplo se muestra en la figura siguiente,
en la que se ha representado un modulador magnetoóptico
basado en el efecto Faraday
6. FORMULARIO
Ley de Malus (nicoles y laminas polarizadas): << Cuando en un nicol incide un rayo
de luz polarizada la intensidad luminosa del rayo emergente es directamente proporcional al
coseno cuadro del ángulo que forman el plano principal del nicol y de la vibración de la
luz>>.
7. Producción de luz polarizada por reflexión y refracción . Ley de Brewster. Cuando
un rayo de luz natural incide sobre cualquier medio refringente, se verifica una polarización
de la luz. El rayo reflejado se enriquece en la componente cuyo plano de vibración es
perpendicular al de incidencia (plano que forman el rayo incidente y la normal) y el
rayo refractado se enriquece en la componente que vibra en el propio plano de incidencia.
Cuando el ángulo de incidencia tiene un valor determinado (ángulo de polarización), el
rayo reflejado esta totalmente polarizado.
Sir David Brewster descubrió experimentalmente que cuando el ángulo de incidencia es
el ángulo de polarización, el rayo reflejado y el refractado son perpendiculares
pudiéndose escribir la ley de Snell de la forma:
8. que será igual al índice de refracción de la sustancia cuando el primer medio sea aire. <<
Un rayo de luz se polariza totalmente por reflexión, cuando la tangente del ángulo de
incidencia es igual al índice de refracción>>.
Leyes de Biot: <<El poder rotatorio de los cuerpos sólidos es directamente proporcional
al espesor de las sustancias atravesadas por la luz polarizada y a su densidad>>.
[] se llama poder rotatorio especifico, cuyo valor es constante para cada sustancia.
<<El poder rotatorio de las disoluciones es directamente proporcional al espesor de la capa
liquida y a la concentración >>.
Siendo l la longitud de un tubo lleno de liquido y atravesado por la luz polarizada, las leyes
de Biot se expresan:
El poder rotatorio especifico de una disolución es:
O sea: el giro del plano de polarización producido por una disolución de concentración
unidad, haciendo la observación a través de un tubo de la unidad de longitud.
