Polarización de la luz

En una onda electromagnética no polarizada, al igual que en cualquier otro tipo de onda transversal sin polarizar, el campo eléctrico oscila en todas las direcciones normales a la dirección de propagación de la onda. Las ondas longitudinales, como las ondas sonoras, no pueden ser polarizadas porque su oscilación se produce en la misma dirección que su propagación.
La polarización es un fenómeno que puede producirse en las ondas electromagnéticas, como la luz, por el cual el campo eléctrico oscila sólo en un plano determinado, denominado plano de polarización. Este plano puede definirse por dos vectores, uno de ellos paralelo a la dirección de propagación de la onda y otro perpendicular a esa misma dirección el cual indica la dirección del campo eléctrico.

Polarización de la luz

La luz puede presentar dos moladidades distintas, que se denominan luz natural y luz polarizada en ambas las vibraciones son transversales, es decir perpendiculares al rayo luminoso, pero mientras en la luz natural se verifican en todas direcciones, en la polarizada sólo se operan en un plano. 
La siguiente comparación da idea de este fenómeno : Si se hace pasar una cuerda horizontal por una rendija vertical de cierta longitud en sentido de la cuerda, y con la mano se imprime a ésta un movimiento cualquiera a un lado de la rendija, el movimiento se propaga del otro lado de manera que las vibraciones u oscilaciones sean verticales. Las oscilaciones verticales corresponden a la luz polarizada rectilíneamente en el plano horizontal.

En general, se llamará plano de polarización al perpendicular a la vibración, en el medio homogéneo en que se observa ésta. El movimiento desordenado cualquiera, impreso a la cuerda, puede ser una imagen de la luz natural. Es cómodo considerar a ésta como luz linealmente polarizada, pero en que la dirección e la vibración rectilínea cambia a cada momento, manteniéndose siempre en el plano trans- versal perpendicular a la dirección de propagación. 
Análogamente, la luz que atraviesa una substancia birrefringente, tal como una placa de turmalina, por ejemplo, tallada paralelamente al eje, no ofrece propiedad especial alguna, pero sí aparece ésta al observarla a través de otra placa semejante y paralela a la primera si los ejes son paralelos, la luz pasa a través de entrambas placas libremente, sólo debilitada en proporción del grueso de las mismas. Pero si los ejes están cruzados, hay extinción completa, no pasa la menor cantidad de luz; es decir, que la segunda placa colocada de través no deja pasar luz alguna que haya atravesado la primera, cual si en el símil de la cuerda se colocaran dos rendijas semejantes perpendiculares entre sí.

Explicación del fenómeno de la polarización.

Siendo la luz de naturaleza electromagnética, como lo prueban los efectos y modificaciones que sufre en un campo eléctrico o magnético, la vibración que determina la luz no lo es de par- tículas materiales, sino del campo eléctrico, es decir, de las fuerzas eléctricas y magnéticas que existen en todo punto del campo.
En medios isótropos la propagación de las ondas luminosas o electromagnéticas va acompañada del vibrar de los vectores que definen la fuerza eléctrica y magnética, vectores que son proporcionales, perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación. Lo que vibra es, pues, tanto la fuerza eléctrica como la magnética.

Además, esta solución al problema de cuál sea la dirección de la vibración sólo ha podido establecerse con la teoría electromagnética de la luz, que introduce las dos fuerzas eléctrica y magnética.
El fenómeno de la polarización se explica, pues, según Maxwell, considerando la luz como una vibración electromagnética de forma más o menos elíptica siempre, por muy génea que sea, introduciéndose al polarizarla cierta regularidad en la vibración, que determina:

• a) La luz polarizada rectilíneamente cuando todas las elip- ses de vibración degeneran en rectas.
• b) La luz polarizada circularmente cuando las elipses se convierten en circunferencias.
• c) La luz polarizada elípticamente si se mantiene constante la relación entre los ejes principales de vibración, así como sus direcciones.
• d) La luz polarizada de un modo incompleto, cuando es mez- cla de luz polarizada con luz natural.

Polarización por reflexión

Sabemos que si sobre una superficie reflectora incide luz natural parte de la luz se refleja y parte se refracta. Malus descubrió en 1808 que si hacemos incidir una luz sobre una superficie pulimentada de vidrio con un ángulo de incidencia i de 57º aproximadamente, la luz reflejada está polarizada, siendo el plano de vibración perpendicular al plano de incidencia de los rayos. Si el ángulo de incidencia no es de 57º habrá también polarización pero será menor a medida que el rayo incidente vaya siendo mayor o menor que dicho ángulo.

Más tarde Brewster descubrió que si el rayo reflejado y el refractado forman entre si un ángulo de 90º, el ángulo de incidencia es precisamente el ángulo de polarización. El ángulo de polarización depende del índice de refracción "n" del medio. En el caso del vidrio, que acabamos de ver, el ángulo es aproximadamente 57º. Hay que señalar también que para este ángulo, el rayo refractado está polarizado parcialmente, coincidiendo su plano de vibración con el de incidencia, mientras que el rayo reflejado está completamente polarizado.

Polarización por doble refracción.

Hay determinados cristales que tienen la propiedad de la doble refracción, es decir, el rayo incidente se desdobla en dos en el interior del cristal (espato de islandia, turmalina), uno de ellos llamado ordinario y que sigue las leyes de la refracción y otro llamado extraordinario que no las sigue.

Este tipo de cristal permite obtener luz polarizada partiendo de la luz natural, siempre que logremos eliminar a la salida uno de los rayos emergentes. Esto se puede conseguir con un prisma de Nicol, constituido por un cristal de espato de Islandia al que se le han cortado las caras externas de manera que el ángulo de 71º pase a ser de 68º, después se corta la diagonal, obteniéndose dos prismas que se pegan con bálsamo de Canadá, cuyo índice de refracción está entre el indice de refracción del rayo ordinario y el del extraordinario. En estas condiciones el rayo ordinario sufre reflexión total al llegar a la lámina de bálsamo de Canadá, mientras que el extraordinario se refracta en el bálsamo y se transmite a través del segundo prisma.

Polarización rotatoria.

Hemos visto que un prisma de Nicol puede utilizarse como polarizador, ya que al incidir sobre él la luz naztural obtenemos a la salida del mismo luz polarizada cuyo plano de vibración es paralelo a la sección principal. Si este haz de luz polarizada se hace incidir sobre otro prisma de Nicol cuya sección principal sea perpendicular a la del primero, este haz no podrá penetrar en el segundo Nicol ya que vibra en una sección normal, y por lo tanto no habrá salida de luz del segundo Nicol.

En este caso se dice que los Nicols están cruzados, esto se llama Polarización cruzada. Variando la posición relativa de las secciones principales de los dos Nicols se logrará mayor o menor luz a la salida, desde el valor máximo (prismas de Nicol paralelos) hasta la anulación completa (prismas de Nicol cruzados).