Olin eilen rannalla kaverin kanssa. Hän oli juuri ostanut polarisoivat aurinkolasit. Mitä ne ovat ja miten ne oikein toimivat?

Kuva 1: Polarisoivat aurinkolasit voivat näyttää vaikka tältä.

Joo, tämä onkin mielenkiintoinen juttu! Ihan aluksi meidän pitää muistella mitä olivatkaan pitkittäiset ja poikittaiset aallot.

Mutta jos valo on poikittaista aaltoliikettä, niin mikä siinä aaloilee?

Kuvassa 2 valo etenee vasemmalta oikealle eli $z$-suuntaan. Valossa aaltoilevat sähkökenttä $\vec{E}$ ja magneettikenttä $\vec{B}$ — siitä nimi sähkömagneettinen aaltoliike. Sähkö- ja magneettikentät ovat vektorisuureita ja poikittaisena aaltoliikkeenä niiden suunta on etenemissuunnan suhteen kohtisuoraan. Kuvan 2 aaltoliikkeessä sähkökenttä värähtelee pystysuunnassa, magneettikenttä näytön tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa. Sähkökentän värähtelysuuntaa kutsutaan valon polarisaatiosuunnaksi. Kuvan 2 aalto on siis polarisoitunut pystysuunnassa. 

Jos haluat tietää enemmän valosta ja sen luonteesta, suosittelen toista MOOC-kurssiamme Kvanttimekaniikkaa ja suhteellisuusteoriaa yleissivistävästi.

Kuva 2: Valon aaltorakenne. Lähde: Wikimedia.

Tavallisesti valo on polarisoitumatonta, eli se värähtelee kaikkiin mahdollisiin suuntiin, jotka ovat kohtisuorassa sen etenemissuuntaan nähden. Ikkunasta ulos katsoessasi silmiisi siis saapuu valoa, jossa on kaikkia mahdollisia polarisaatiosuuntia. Tilanne on sama myös silmälasien kanssa. Polarisoivien aurinkolasien kanssa tilanne on kuitenkin eri: ne päästävät lävitseen ensisijaisesti pystysuunnassa polarisoitua valoa. Tämä saadaa aikaan valmistamalla linsseihin tiheään pystysuoria mikrorakenteita.

Siitäkö syntyy myös polarisoivien aurinkolasien himmentävä vaikutus?

Kun tuleva valo on polarisoitunut satunnaisiin suuntiin, niin aurinkolasien polarisoiva linssi päästää lävitseen enemmän niitä valoaaltoja, jotka ovat polarisoituneet pystysuunnassa. Vaakasuunnassa polarisoituneet valoaallot absorboituvat linssiin. Sen vuoksi linssi himmentää valoa.

Mutta mitä hyötyä polarisoivista aurinkolaseista on? Kyllä halvemmillakin aurinkolaseilla saa riittävästi himmennystä.

Sanoiko ystäväsi miksi hän oli ne polarisoivat lasit ostanut?

Syy liittyi jotenkin veneilyyn ja kalastukseen.

Muistatko mitä sanoin aiemmin siitä, minkä suuntaista valoa polarisoivat linssit eivät päästä läpi?

No sellaista vaakasuuntaista.

Häikäisemisen kannalta onkin keskeistä, että esimerkiksi järven tai märän tien pinnasta heijastuvasta valosta suurin osa on polarisoitunut vaakasuunnassa.

Mutta juurihan kerroit, että tavallinen valo värähtelee kaikkiin etenemissuuntaan nähden kohtisuoriin suuntiin. Tarkoittaako tämä, että valo polarisoituu heijastuessaan veden pinnasta?

Näin tosiaan tapahtuu, jossakin määrin. Ennen tuloaan veden pintaan valo värähtelee kaikkiin suuntiin. Saapuessaan veteen valo taittuu hieman. Veden pinnalla vesimolekyylit absorboivat valoa, ja elektronit värähtelevät samaan suuntaan kuin veteen tulleen valoaallon sähkökenttä; tämä on siis kohtisuoraan valon kulkusuuntaan nähden. Molekyylit sitten edelleen emittoivat valon, joka osin taittuu mutta osin myös heijastuu. Heijastunut valo voi värähdellä vain siihen suuntaan, mihin suuntaan elektronit värähtelevät. Toisaalta valo voi värähdellä vain kohtisuoraan suuntaansa nähden! Tämän vuoksi heijastunut valo on valtaosin horisontaalisesti polarisoitunutta (Kuva 3).

Kahden aineen välille voidaan määritellä ns. Brewsterin kulma $\theta_b$ jossa aineiden rajapintaan saapuva polarisoimaton säde polarisoituu heijastuessaan täysin. Tämä kulma riippuu kappaleiden taitekertoimista ja on muotoa $\theta_b = arctan(n_2/n_1)$, missä $n_1$ on sen aineen taitekerroin, josta säde saapuu ja $n_2$ taasen on sen aineen taitekerroin johon säde etenee.

Kuva 3: Brewsterin kulmassa tullessaan heijastunut valonsäde polarisoituu täysin. Heijastunut säde on polarisoitunut vaakatasossa eli se värähtelee vedenpinnan suuntaisesti (kohtisuoraan näytön tasoa vasten).

Nyt meni hiukan yli hilseen.

Käydään asia läpi vielä kerran kuvan 3 kanssa. Mieti sellaista valonsädettä, joka värähtelee kohtisuorassa näytön pintaa vastaan. Veden pinnassa sellainen valonsäde voi joko taittua ja jatkaa vedessä, tai heijastua ilmaan. Tarkastellaan sitten etenemissuunnan suhteen pystysuuntaan värähtelevää valonsädettä, eli sellaista sädettä, joka värähtelee kuten kuvassa. Valonsäde voi taittua ja jatkaa vedessä ongelmitta. Mutta miksi sellainen säde ei voi heijastua? Mihin suuntaan sellainen säde värähtelisi, jos se heijastuisi?

Hetkonen. Silloinhan se säde värähtelisi menosuuntaansa nähden!

Tismalleen! Ja valo ei voi värähdellä menosuuntaansa nähden, koska valo on poikittaista aaltoliikettä. Se voi värähdellä vain kohtisuuntaan menosuuntaansa nähden. Täten suurin osa heijastuneista säteistä on polarisoitunut vedenpinnan myötäisesti eli vaakasuunnassa. Ja tästä syystä polarisoivien aurinkolasien on suunniteltu päästävän läpi vain pystysuuntaan polarisoitunutta valoa, jotta suurin osa heijastuneesta valosta estyy kulkemasta niiden läpi (kuva 4).

Tilanne on sama myös muiden heijastavien pintojen kanssa. Myös tuulilasista heijastuva valo on  vaakatasossa polarioistunutta, joten polarisoivat aurinkolasit vähentävät myös tätä valoa.

Kuva 4: Polarisoituneiden aurinkolasien läpi ei pääse horisontaalisesti polarisoitunut valo.

Onpa hyvä keksintö! Kaverini kuitenkin sanoi, että polarisoivissa aurinkolaseissa on omat ongelmansa. Kuulemma niiden läpi ei näy läppärin ruutua. Miksi se on niin? 

Aivan, katsotaanpa video tuosta tilanteesta.

Video 1: Polarisoivat lasit ja tietokoneen näyttö.

Eli tietokoneen näytöstä tuleva valo on siis polarisoitunutta?

Kyllä. Nestekidenäytöstä tuleva valo on polarisoitunutta. Tämä johtuu siitä, että niiden rakenne suuresti yksinkertaistettuna on, että kahden polarisoivan tason (jotka ovat 90 asteen kulmassa toisiinsa nähden!) välissä on nestekiteitä. Nestekiteet voivat muuttaa muuttaa kiteen läpi kulkevan valon polarisaatiota. Nestekiteiden rakenne määrää, kuinka paljon ne muuttavat läpi kulkevan valon polarisaatiota. Nestekiteiden rakennetta ja valon polarisaation suunnan muuttumista voidaan kontrolloida sähkövirralla. Tämän kaiken seurauksena näyttöjen läpi pääsevä ja silmiimme saapuva valo on polarisoitunutta. Tällöin polarisoivien aurinkolasien asento vaikuttaa siihen, kuinka paljon valoa pääsee läpi.