KUTUPLANMA (POLARİZASYON). Giriş ve Temel ilgiler Işık, bir elektromanyetik dalgadır. Elektromanyetik dalgalar maddesel ortamlarda olduğu gibi boşlukta da yayılabilirler. Elektromanyetik dalgaların özellikleri şu şekilde özetlenebilir. i. Elektromanyetik dalgalar enine dalgalardır ve boşlukta ışık hızı (c) ile ilerlerler. ii. elli bir ortamda ilerleyen elektromanyetik dalganın ilerleme hızı, n ortamın kırılma indisi olmak üzere, v=c/n şeklindedir. iii. Elektromanyetik dalgaların, elektrik ve manyetik alanları birbirlerine ve yayılma doğrultusuna dik olarak titreşirler. iv. oşlukta ilerleyen elektromanyetik dalgaların frekansı ve dalga boyu arasında, c=λ.f bağıntısı geçerlidir. v. Elektromanyetik dalgaların elektrik ve manyetik alanları aynı fazda salınım yaparlar. vi. oşlukta ilerleyen elektromanyetik dalgaların genlikleri arasında E=c bağıntısı vardır. vii. Elektromanyetik dalgalar üst üste binme ilkesine uyarlar. Girişim, kırınım ve kutuplanma olayları ışığın dalga karakteri ile açıklanır. Girişim ve kırınım, hem enine hem de boyuna dalgalarda gözlenebilen olaylardır. Ancak kutuplanma sadece enine dalgalara has bir özelliktir. u nedenle ışık dalgalarında kutuplanma gözlenir. Yayılma doğrultusuna paralel olarak titreşen (salınım yapan) dalgalara boyuna dalgalar denir. Gaz ya da sıvı içindeki ses dalgaları boyuna dalgalara örnektir. oyuna dalgalarda kutuplanma gerçekleşmez. Yayılma doğrultusuna dik olarak titreşen dalgalara ise enine dalgalar denir. Su dalgaları ve elektromanyetik dalgalar enine dalgalardır. Kutuplanma enine dalgalarda gözlenir. u nedenle, kutuplanma terimi, enine dalgaların yoluna dik bir düzlemdeki titreşim hareketinin mümkün tüm yönelimlerini tanımlar. z y x Şekil. Elektromanyetik Dalga Aysuhan Ozansoy, Ankara Üniversitesi, Fizik ölümü, 008
. Işık Dalgalarında Kutuplanma: Sıradan bir ışık kaynağından çıkan ışık ışınları, ışık kaynağındaki atomlar tarafından yayınlanan çok sayıda dalgadan oluşmuştur. Her atom, elektrik alan vektörü belli bir yönde olan bir elektromanyetik dalga üretir. ileşke elektromanyetik dalga, farklı yönlerde titreşen dalgaların üst üste binmiş halidir. Dolayısıyla böyle bir ışık kaynağından çıkan ışık dalgasının elektrik alan vektörünün mümkün tüm yönlerde bileşeni vardır ve her yönde aynı olasılıkla titreşir. Anlaşma olarak, bir ışık dalgasının kutuplanma yönü olarak elektrik alan vektörünün titreştiği yön seçilir. öyle, sıradan bir ışık kaynağından çıkan ışık ışınlarına rastgele kutuplu ya da kutuplanmamış ışık denir. E Şekil. Rastgele kutuplu ışığın elektrik alan vektörü tüm yönlerde aynı olasılıkla titreşir. Şekil de,yayılma doğrultusu sayfa düzleminden dışarı doğru olan kutuplanmamış ışık gösterilmektedir. Her bir elektrik alan vektörü, her bir atom tarafından oluşturulmuş bağımsız elektrik alan vektörlerini göstermektedir. ileşke alan E, bu elektrik alan vektörlerinin toplamıdır. Eğer bileşke dalganın elektrik alan vektörü, uzayda belli bir noktada hep aynı yöne titreşiyorsa, böyle dalgaya çizgisel kutuplu ya da düzlem kutuplu dalga denir. Elektrik alanın titreşim doğrultusu ile yayılma doğrultusunun oluşturduğu düzleme kutuplanma düzlemi denir. Şekil 3 te çizgisel kutuplu bir dalga gösterilmektedir. Elektrik alan sürekli olarak y-yönünde titreşmektedir, yayılma doğrultusu x dir ve xy-düzlemi de kutuplanma düzlemidir. r E r Şekil 3. Çizgisel (Düzlem) kutuplu ışık. xy-düzlemi kutuplanma düzlemidir. Kutuplanmamış bir ışık demetinden çizgisel kutuplu demet elde etmek mümkündür. u, mümkün olan tüm yönlerde titreşim yapan bileşke elektromanyetik dalga içinde, elektrik alan vektörleri belli bir yönde titreşim yapanları seçip, diğer tüm yönlerde Aysuhan Ozansoy, Ankara Üniversitesi, Fizik ölümü, 008
titreşim yapanları çıkarmakla mümkün olur. Kutuplanmamış ışıktan çizgisel kutuplu ışık elde etmek için 4 yöntem vardır:. Seçici soğurma. Yansıma 3. Çift Kırılma 4. Saçılma urada seçici soğurma ve yansıma ile kutuplanma yöntemleri ele alınacaktır. i) Seçici Soğurma ile Kutuplanma: Kutuplanmamış ışıktan, sadece belli bir yönde titreşen elektromanyetik dalgayı seçerek, kutuplanmış ışık elde eden malzemelere kutuplayıcı (polarizör) denir. u malzemeler, birbirine paralel olarak uzanan uzun zincirli hidrokarbon moleküllerinden ince tabakalar şeklinde üretilirler. Moleküler zincirlere dik olan doğrultuya kutuplayıcının geçirme ekseni denir. Şekil 4 te verilen kutuplayıcı için geçirme ekseni yatay doğrultudadır. moleküler zincirler geçirme ekseni Şekil 4. Kutuplayıcı ve kutuplayıcı için geçirme ekseni Elektronlar, moleküler zincirler boyunca kolayca hareket edebilirler. ir elektromanyetik dalganın elektrik alan vektörü bu zincirlere paralel ise (ya da başka bir deyişle geçirme eksenine dik ise), bu elektromanyetik dalganın elektrik alanı elektronlarla etkileşir. Elektronlar elektromanyetik dalganın enerjisini soğururlar, dolayısıyla geçen dalganın genliği çok azalmıştır. Ancak, gelen dalganın elektrik alan vektörü, bu moleküler zincirlere dik ise (geçirme eksenine paralel ise), elektronlarla etkileşme çok azdır ve gelen dalganın büyük kısmı geçer. Yani, kutuplayıcılarda moleküler zincire dik doğrultudaki elektrik alan vektörleri bileşenleri geçer, diğerleri büyük ölçüde soğurulur. Kutuplanmamış ışığı bir kutuplayıcıdan geçirip, kutuplayıcıyı 0 den 80 ye çevirdiğimizde ışığın şiddeti çevirme açısına bağlı olmaz, her bir açıda geçen ışığın şiddeti aynıdır. Çünkü elektrik alan vektörü mümkün bütün yönlerde aynı olasılıkla titreşir. u ışık demetinin kutuplanmış olup olmadığını anlamak için ikinci bir kutuplayıcı kullanmamız gerekir. u ikinci kutuplayıcıyı çevirdiğimizde, ışık şiddeti bir maksimum ile sıfır arasında değişiyorsa ışık demeti kutuplanmıştır denir. u şekilde kullanılan ikinci kutuplayıcıya analizör denir. Aysuhan Ozansoy, Ankara Üniversitesi, Fizik ölümü, 008 3
Şekil 5. Seçici soğurma ile kutuplanma Şekil 5 te kutuplayıcının geçirme ekseni düşey olduğundan, bu kutuplayıcıyı geçen ışık düşey olarak kutuplanmıştır. Analizör ışık demetini keser. Analizörün geçirme ekseni kutuplayıcının geçirme ekseni ile θ açısı yapmaktadır. Geçirme eksenler paralel olduğunda (θ=0 veya θ=80 ) analizörden geçen ışığın şiddeti maksimum; geçirme eksenler birbirine dik olduğunda (θ=90 veya θ=70 ) ise geçen ışık şiddeti sıfırdır, yani ışık analizör tarafından soğurulmuştur. ii) Yansıma ile Kutuplanma: Kutuplanmamış bir ışık demetinin saydam bir yüzeyden yansıdığını düşünelim. Gelme açısına bağlı olarak yansıyan ışık, ya kutuplanır, ya kısmen kutuplanır ya da kutuplanmaz. Saydam bir yüzeye gelen ve yansıyan ışık demeti için elektrik alan vektörü bileşene ayrılabilir. u iki bileşen; i. yansıma düzlemine paralel ( ya da sayfa düzlemine dik) bileşen ii. yansıma düzlemine dik olan bileşen (yayılma doğrultusuna dik) şeklindedir. Işık dalgası saydam yüzeye ulaştığında, dalganın elektrik alanı elektronları ivmelendirir. İvmelenen elektronlar ışıma yaparlar, böylelikle yansıyan ve kırılan dalgalar oluşur. Şekil 6. Gelen, yansıyan ve kırılan ışık için elektrik alan vektörünün bileşenleri. YD kısaltması yansıma düzlemi için kullanılmıştır Aysuhan Ozansoy, Ankara Üniversitesi, Fizik ölümü, 008 4
İlk olarak birinci bileşene bakalım. Gelen ışık demetinin bu bileşeni tarafından hızlandırılan elektronlar yansıyan dalgaya dik olarak hareket ederler. Gelen dalganın çok küçük bir miktarı elektronlar tarafından soğurulur, bu nedenle gelen dalganın bu bileşeninin meydan getirdiği yansıma oldukça güçlüdür. İkinci bileşen tarafından hızlandırılan elektronlar, yansıyan dalgaya paralel hareket ederler. u durumda gelen dalganın büyük bir kısmını elektronlar soğurduğu için yansıma zayıftır. Kutuplanmamış bir ışık demeti yansıtıcı yüzeye 0 veya 90 ile geldiğinde yansıyan ışık kutuplanmaz. Diğer geliş açıları için yansıyan ve kırılan ışık demetleri kısmen kutupludur, yani yansıyan ve kırılan ışık demetlerinin elektrik alan vektörlerinin iki bileşeni vardır. Yansıyan ve kırılan ışık arasındaki açı 90 olduğunda yansıyan ışığın, elektrik alan vektörünün sadece yansıma düzlemine paralel bileşeni vardır. u bileşen güçlü bir yansıma oluşturur. u durumda yansıyan ışık yansıma düzlemine paralel doğrultuda çizgisel kutuplanmıştır. u durumdaki gelme açısına rewster açısı (θ ) denir. Gelen ışık, kutuplanmamış Yansıyan ışık, kutuplanmış θ θ n n Kırılan ışık, kısmen kutuplanmamış Şekil 7. Gelme açısı θ olduğunda yansıyan ışık tamamen kutuplanmıştır. Şekil 7 deki durum için Snell Kanunu uygulanırsa; n Sinθ n Sinθ θ + 90 o = n + r = 80 = n Sinr Sinr θ n Sinθ Özel olarak birinci ortam, n o + r = 90 = n Cosθ o = ve n Sinr = Cosθ n n = n seçilirse = Tanθ Tanθ = n Aysuhan Ozansoy, Ankara Üniversitesi, Fizik ölümü, 008 5
Verilen bir madde için n, dalga boyu ile değiştiği için rewster açısı da dalga boyu ile değişir. Kaynaklar:. Fen ve Mühendislik için Fizik, Cilt-, eşinci baskıdan çeviri, R.A. Serway and R.J. eichner, Palme Yayıncılık, 00. Temel Fizik, Cilt-, İkinci baskıdan çeviri, P.M. Fishbane, S. Gasiorowicz and S.T. Thornton, Arkadaş Yayınları, 003 3. Optik, N. Goca, Kültür Eğitim Vakfı Yayınları 4. http://en.wikipedia.org/wiki/polorization Aysuhan Ozansoy, Ankara Üniversitesi, Fizik ölümü, 008 6