Polarizasyon Nedir? Işık Kaç Farklı Şekilde Polarize Olabilir?

Polarizasyon, enine dalgaların salınımlarının geometrik yönünü belirten bir özelliktir. Alttaki fotoğrafta da görüldüğü gibi enine bir dalgada, dalganın salınım yönü ilerleme yönüne diktir. Enine dalgalara en basit örnek, gergin bir ip boyunca hareket eden titreşimlerdir. Buna karşılık, bir sıvı veya gazdaki ses dalgaları gibi boyuna dalgalarda, salınımdaki parçacıkların yer değiştirmesi her zaman ilerleme doğrultusundadır, bu nedenle bu dalgalar polarizasyon göstermezler. Polarizasyon sergileyen enine dalgalar, katı maddelerdeki ışık ve radyo dalgaları, kütleçekimi dalgaları ve enine ses dalgaları (kayma dalgaları) gibi dalgaları içerir.

Işık Dalgalarında Polarizasyon

İskoç fizikçi James Clerk Maxwell, dört basit denklem ile Faraday'ın ışığın bir elektromanyetik dalga olduğu öngörüsünü elektromanyetik dalgaların ışık ile aynı hızda yayıldığını göstererek ispat etmiştir. Dolayısıyla bu ispattan da anlaşıldığı gibi sıradan bir ışık kaynağından çıkan ışık ışınları, ışık kaynağındaki atomlar tarafından yayınlanan çok sayıda elektromanyetik dalgadan oluşmuştur. Bu elektromanyetik dalgaların üst üste binmesiyle de bileşke elektromanyetik dalga oluşmaktadır. Dolayısıyla bir ışık kaynağından çıkan ışık dalgasının elektrik alan vektörünün mümkün tüm yönlerde bileşeni vardır ve her yönde aynı olasılıkla titreşir.

Elektromanyetik dalga, elektrik alan ve manyetik alandan oluşur; fakat bir ışık dalgasının kutuplanma veyahut polarizasyon yönü olarak elektrik alan vektörünün titreştiği yön seçilmesinden dolayı elektromanyetik dalganın "elektrik alan" kısmı bizi bu yazıda daha çok ilgilendirecektir.

Eğer ilk başta da bahsedildiği gibi sıradan bir ışık kaynağından çıkan ışık ışınlarını ele alırsak, bu ışınlar elektromanyetik, rastgele, enine dalgalardır ve bundan dolayı bu ışınlar her yönde aynı olasılıkla titreşmesinden kaynaklı olarak rastgele kutuplu ya da polarize olmamış (kutuplanmamış) ışık şeklinde adlandırılırlar. Polarize olmamış ışıklara Güneş, alev ve akkor lambalar gibi birçok kaynaktan gelen ışık veya diğer elektromanyetik radyasyon türleri örnek olarak verilebilir.

Üsteki şekilde, yayılma doğrultusu sayfa düzleminden dışarı doğru olan polarize olmamış ışık gösterilmektedir. Üstteki okların sembolize ettiği elektrik alan vektörü, her bir atom tarafından oluşturulmuş farklı elektrik alan vektörlerini göstermektedir. Bileşke elektrik alan E, bu elektrik alan vektörlerinin toplamıdır. Eğer bileşke dalganın elektrik alan vektörü, uzayda belli bir noktada, yani gözlemin yapıldığı yerde hep aynı yöne titreşiyorsa, böyle dalgalara çizgisel kutuplu ya da düzlem kutuplu dalga denir. Elektrik alan titreşim doğrultusu ile yayılma doğrultusunun oluşturduğu düzleme kutuplanma (polarizasyon) düzlemi denir.

Polarizasyon Çeşitleri

Üç adet polarizasyon çeşidi bulunmaktadır:

• Doğrusal,
• Dairesel,
• Eliptik.

Doğrusal Polarizasyon

Doğrusal kutuplanmada dalgalar, ölçüleceği, gözlem yapılacağı, düzleme doğru ilerlerler. Bu düzlemde, tek bir E bileşkesinin, eğik bir doğru boyunca zamanla harmonik olarak titreştiği yani değiştiği düşünülebilir. E alanı dalganın ilerleme doğrultusu boyunca bir dalga boyu yol aldığında tam bir titreşim devri yapar. Bu toplama işleminin aynı şekilde tersi de yapılabilir, yani bir düzlem kutuplu dalga birbirine dik iki bileşene ayrılabilir.

Dairesel Polarizasyon

Dairesel kutuplanmada ise, bir elektromanyetik dalganın her noktada dalganın elektromanyetik alanının sabit bir büyüklüğe sahip olduğu ve dalganın yönüne dik bir düzlemde sabit bir hızda döndüğü bir polarizasyon durumudur. Dairesel kutuplanmada elektrik alan vektörü, dalga yol alırken ilerleme ekseni çevresinde döner. Kendine doğru gelen dalgaya bakan (kaynağa doğru bakan) bir gözlemciye, E bileşke elektrik alan vektörünün saatin dönüş yönünde $w$ açısal frekansıyla döndüğü görülür. Bu şekilde olan bir dalgaya sağ dairesel kutuplu ya da daha çok tercih edilen adıyla sağ dairesel ışık denir. Tersi oluyorsa yani genlik değişmemek üzere E saatin dönme yönünün tersine dönüyorsa bu dalgaya da sol dairesel kutuplu veya sol dairesel ışık denir. Dairesel polarizasyonun oluşumu ise, iki ortogonal elektrik alan bileşen vektörü eşit büyüklükte olduğunda ve tam olarak 90° veya dalga boyunun dörtte biri kadar faz dışı olduğunda meydana gelir.

Eliptik Polarizasyon

Eliptik kutuplanma ise, matematiksel anlatım bakımından doğrusal ve dairesel kutuplu ışık eliptik kutuplu ışığın veya daha kısa ve basit ifadeyle eliptik ışığın özel durumları olarak düşünülebilir. Yani demek istenilen, E bileşke elektrik alan vektörünün genelde hem dönmesi hem de büyüklüğünün değişmesidir.

Üsteki şeklin sol kısmında çizgisel kutuplu bir dalga gösterilmektedir. Elektrik alan devamlı olarak bir yönde titreşmektedir, ilerleme doğrultusu z'dir ve xy-düzlemi de kutuplanma veyahut polarizasyon düzlemidir.

Şu ana kadar polarize olmuş ve polarize olmamış ışıklardan bahsettik fakat belki de okuyucuların bir kısmında şu soru belirmiş olabilir: "Polarize olmamış ışıktan polarize ışık elde edebilir miyiz, eğer elde edebilirsek bu nasıl gerçekleşebilir?" Bu soruya cevaben, kutuplanmamış bir ışık demetinden çizgisel kutuplu ışık demeti elde etmek mümkündür. Bu, mümkün olan tüm yönlerde titreşim yapan bileşke elektromanyetik dalga içinde, elektrik alan vektörleri belli bir yönde titreşim yapanları seçip, diğer tüm yönler titreşim yapanları çıkarmakla mümkün olur.

Polarize Olmuş Işık Elde Etme Yöntemleri

Kutuplanmamış ışıktan kutuplanmış ışık elde etmek için dört yöntem vardır. Bunlar seçici soğurma, yansıma, çift kırılma ve saçılmadır.

Seçici Soğurma ile Polarizasyon

Seçici soğurma ile polarizasyon, "polaroid" olarak adlandırılan "standart" polarizörde kullanılan işlemdir. Polarizör (kutuplayıcı), polarize olmamış ışıktan belli bir yönde titreşen elektromanyetik dalgayı seçerek, polarize olmuş ışık elde etmemizi sağlayan malzemelere denir. Bu malzemeler yani polarizörler, tercih edilen yönü koruyarak plastik malzeme içinde düzenlenmiş uzun kristallerden yapılmıştır. Bu düzenlenmiş uzun kristallere(moleküler zincirlere) dik olan doğrultuya polarizörün geçirme ekseni denir.

Eğer bir elektromanyetik dalganın elektrik alan vektörü, üstte şekilde görüldüğü gibi bir moleküler zincirlere paralel olma durumunda ya da geçirme eksenine dik ise elektromanyetik dalga o zincirdeki moleküllerle etkileşime (yani moleküllerdeki elektronlarla etkileşime) girerek dalganın enerjisini soğurur, dolayısıyla geçen dalganın enerjisi, genliğiyle orantılı olduğu için genliğinde çok büyük bir azalma olur. Fakat bu durumun tersi de mümkündür: Gelen elektromanyetik dalga, moleküler zincire dik, geçirme eksenine paralelse, moleküler zincirdeki elektronlarla etkileşim az olacağı için soğurma az olacak ve böylelikle dalganın büyük bir kısmı geçmeyi başaracaktır. Bu da geçirme eksenine paralel olan elektrik alan vektörleri bileşenlerinin geçer, diğerlerinin ise soğurulacağı anlamına gelmektedir.

Fakat ışığın gerçekten polarize olup olmadığını gözlemlemek için ikinci bir polarizör daha kullanmamız gerekmektedir çünkü başta da belirtildiği gibi ışık her yöne eşit olasılıkta titreştiği için biz bir polarizörü hangi yöne, kaç derecelik açıyla değiştirmemizden bağımsız olarak ışığın şiddetini aynı gözlemleriz. Eğer ikinci bir polarizör kullanırsak -ki buna da "analizör" diyeceğiz, bu analizörü çevirdiğimizde, ışık şiddeti bir maksimum ile sıfır değeri arasında değişiyorsa ışık demetinin polarize olduğunu gözlemleyeceğiz.

Üstteki şekilde de polarizörün geçirme ekseni düşey olduğundan, bu polarizörü geçen ışık düşey olarak polarize olmuştur. Analizör ışık demetini engeller. Analizörün geçirme ekseni polarizörün geçirme ekseni ile 𝜃 açısı yapmaktadır. Geçirme eksenleri paralel olursa analizörden geçen ışığın şiddeti maksimum; geçirme eksenleri birbirine dik ise ışık şiddeti sıfır olur yani ışık soğurulmuş olur.

Yansıma ile Polarizasyon

Yansıma ile polarizasyonda, polarize bir ışık demetinin saydam bir yüzeyden yansıdığını düşünelim. Gelme açısına bağlı olarak ışık polarizasyonunun üç ihtimali vardır:

• ışığın polarize olması,
• ışığın polarize olmaması ve
• ışığın kısmen polarize olmasıdır.

Saydam bir yüzeye gelen ve yansıyan ışığın elektrik alan vektörü iki bileşene sahip olabilir. Bu iki bileşenlerden biri yansıma düzlemine paralel olan, diğeri ise yansıma düzlemine dik olan bileşendir. Saydam yüzeye gelen ışığın elektrik alanı yüzeydeki elektronları ivmelendirir ve bu elektronların ışıma yapmasını sağlar. Böylelikle yansıyan ve kırılan olmak üzere iki dalga oluşur. Yansıma düzlemine paralel olan dalgayı inceleyecek olursak, gelen ışık demetinin bu bileşeni tarafından hızlandırılan elektronlar yansıyan dalgaya dik olarak hareket ettiğini gözlemleriz. Gelen dalganın çok küçük bir kısmı elektronlar tarafından soğurulur, bundan dolayı da gelen dalganın bu bileşeninin meydana getirdiği yansıma oldukça güçlüdür. İkinci bileşen tarafından hızlandırılan elektronlar, yansıyan dalgaya paralel hareket ettikleri için gelen dalganın büyük kısmını elektronlar soğurur ve yansıma zayıf olur.

Yansıma ile polarizasyonda polarize olmamış bir ışık demeti yansıma düzlemine paralel veya dik gelirse yansıyan ışık kutuplanmaz. Eğer gelen dalga diğer geliş açılarına sahipse yani dik veya paralel olacak şekilde gelmiyorsa, yansıyan ve kırılan ışık demetleri kısmen kutupludur, yani elektrik alan vektörlerinin iki bileşeni vardır. Fakat yansıyan ve kırılan ışık arasındaki açı 90 derece olursa, yansıyan ışığın, elektrik alan vektörünün sadece yansıma düzlemine paralel bileşeni vardır. Bu bileşen güçlü bir yansıma oluşturur. Bu durumda yansıyan ışık yansıma düzlemine paralel doğrultuda çizgisel polarize olmuştur. Bu durumdaki ışığın gelme açısının özel bir adı vardır ve buna Brewster açısı(${\theta }_B$) denir.

Çift Kırılma ile Polarizasyon

Kristallerin çoğu "çift kırıcı" özelliği gösterirler. Çift kırıcılık, ışığı iki demet haline getirmektedir. Bunun nedeni ışığın bu kristaller içindeki her doğrultuda aynı hızla yayılmamasıdır. İkiye ayrılan ışığın her iki kısmı da polarize olur. Gelme düzlemine, dik olarak polarize olmuş ışına normal ışın, paralel olarak polarize olmuş ışına ise ekstra normal ışın denir. İnce turmalin kristali levhaları bu ışınlardan birini soğurarak(emerek) diğerini geçirir. Böylelikle polarize olmuş ışın elde edilmiş olur. Çift kırıcı kristallerde, iki demetin birleştiği bir doğrultu bulunur ve buna da "optik eksen" denir.

Agora Bilim Pazarı

Evrim Ağacı Defteri (3'lü Set)

Anılarınızı Evrim Ağacı defteriyle saklayın. Üstelik bu ürünü aldığınızda 2 adet fiyatına 3 adet defter edineceksiniz. Diğer defterleri ister kendiniz kullanın, ister arkadaşlarınıza hediye edin.

• Ürün Ölçüleri: 14 cm x 21 cm
• Sayfa Sayısı: 111

Devamını Göster

₺350.00

Satın Al Tüm Ürünler

Saçılma ile Polarizasyon

Işık, gaz gibi bir parçacıklar sistemine girdiğinde, ortamda bulunan elektronlar ışığın bir kısmını soğurup sonra tekrar yayarlar, ışığın ortam tarafından soğurulması ve tekrar yayınlanmasına saçılma denir. Saçılma ile polarizasyonda ise moleküllerin üzerine gelen ışık onların salınım yapmasına neden olur. Salınım yönü de, radyasyonun elektrik alan vektörünün salınım yönüne göredir. Saçılma ile polarizasyon örnekleri ise şunlardır:

• Güneş ışınlarının atmosferde saçılması, yukarıdan gözlemciye gelen ışığın polarize olmasına neden olur.
• Yönünü değiştirirken bir polarizörden mavi gökyüzüne bakmak, polarizörün belirli bir açısında karanlık gökyüzü verir. Bu efekt, açık havada fotoğraf çekerken kullanılır.
• Mavi gökyüzünde beyaz bulutlar olduğunda özel bir etki elde edilir. Buluttan yansıyan ışık polarize değildir, çünkü buluttaki su damlaları ışığın dalga boyundan daha büyüktür. Fotoğrafçılıkta bir polarizör kullanmak, karanlık gökyüzündeki beyaz bulutları gösterecektir (Rayleigh saçılması nedeniyle).

Polarizasyonun Bazı Kullanım Yerleri

Mühendislikte Stres Ölçümü

Mühendislikte, gerilim kaynaklı çift kırılma olgusu, şeffaf malzemelerdeki gerilimlerin kolayca gözlemlenmesine olanak tanır. Yukarıda belirtildiği ve aşağıdaki fotoğrafta görüldüğü gibi, çift kırılmanın kromatikliği, iki polarizör arasında bakıldığında tipik olarak renkli desenler oluşturur. Dış kuvvetler uygulandığında, malzemede indüklenen iç gerilim gözlemlenir. Ek olarak, üretim sırasında "donan" gerilimler nedeniyle çift kırılma sıklıkla gözlemlenir. Bu, üretim sürecinde malzemenin esnemesine bağlı olarak çift kırılma özelliğine sahip olan selofan bantta gözlemlenir.

Jeolojide Kullanımı

Çift kırılma özelliği, kristalli minerallerde yaygındır ve gerçekten de polarizasyonun ilk keşfinde çok önemli rol oynamıştır. Mineralojide polarizasyon kavramı, polarizasyon mikroskopları kullanılarak mineralleri tanımlamak amacıyla sıklıkla kullanılır. Katı malzemelerdeki ses dalgaları polarizasyon sergiler.

Katı malzemelerdeki ses dalgaları polarizasyon özelliğini sergiler. Üç kutuplaşmanın yeryüzündeki diferansiyel yayılımı, sismoloji alanında çok önemlidir. Yatay ve dikey polarize sismik dalgalar (kesme dalgaları) SH ve SV olarak adlandırılırken, uzunlamasına polarizasyonlu dalgalar (sıkıştırma dalgaları) P dalgaları olarak adlandırılır.

Kimyada Kullanımı

Bir kristal türünün çift kırılmasının onu tanımlamada yararlı olduğunu söyledik ve bu nedenle doğrusal çift kırılmanın saptanması özellikle jeoloji ve mineralojide yararlıdır. Doğrusal polarize ışığın polarizasyon durumu genellikle böyle bir kristalden geçerken değişir, bu da iki çapraz polarizör arasından bakıldığında göze çarpmasını sağlar. Benzer şekilde, kimyada sıvı bir çözeltide polarizasyon eksenlerinin dönüşü yani dairesel veya eliptik polarizasyon yararlı bir ölçüm olabilir. Bir sıvıda doğrusal çift kırılma imkansızdır, ancak kiral bir molekül çözelti halindeyken dairesel çift kırılma olabilir. Böyle bir molekülün sağ ve sol elli enantiyomerleri eşit sayıda olduğunda, etkileri sıfırlanır.

Bununla birlikte, organik moleküllerde daha sık olduğu gibi, yalnızca bir tane (veya birinin üstünlüğü) olduğunda, bu dengesizliğin büyüklüğünü (veya yalnızca bir enantiyomerin mevcut olduğu varsayıldığında molekülün kendisinin konsantrasyonunu) ortaya çıkaran net bir dairesel çift kırılma gözlemlenir. Bu, polarize ışığın bir sıvı tüpünden geçirildiği bir polarimetre kullanılarak ölçülür; bunun sonunda, içinden ışık iletimini geçersiz kılmak için döndürülen başka bir polarizör bulunur.

Astronomide Kullanımı

Astronominin birçok dalında, uzaydan gelen polarize elektromanyetik dalganın incelenmesi büyük önem taşımaktadır. Genellikle yıldızların termal radyasyonunda bir faktör olmamasına rağmen, polarizasyon aynı zamanda tutarlı astronomik kaynaklardan (örneğin, hidroksil veya metanol ustaları) ve aktif galaksilerdeki büyük radyo lobları gibi tutarsız kaynaklardan ve pulsar radyo radyasyonundan (bunlar , bazen tutarlı olduğu tahmin edilmektedir) ve ayrıca yıldızlararası tozdan saçılarak yıldız ışığına empoze edilir. Polarizasyon, radyasyon kaynakları ve saçılma hakkında birçok bilgi sağlar. Kozmik mikrodalga arka planın polarizasyonu, çok erken evrenin fiziğini incelemek için kullanılıyor. Sinkrotron radyasyonu doğası gereği polarizedir. Astronomik kaynakların Dünya üzerindeki biyolojik moleküllerin kiralitesine neden olduğu öne sürülmüştür.