الاستقطاب Polarization، من أبرز خصائص الموجات الكهرطيسية لأنها موجة مستعرضة. والجدير بالذكر حتى الموجات الطولية لا يحدث لها استقطاب كما هوالحال في الموجات الصوتية.

واستقطاب الضوء polarization of light يعني حتىقد يكون للاهتزازة الضوئية حول اتجاه انتشارها منحى معين ثابت، ويتم استقطاب الضوء الطبيعي بالانعكاس أوبالانكسار المضاعف، ويمكن حتىقد يكون هذا الاستقطاب، وفي شروط معينة، مستقيماً أودائرياً أوإهليلجياً.

تاريخ

استطاع العالم هويْغنز Huygens في أواخر القرن السابع عشر تفسير انعكاس الضوء وانكساره بعلاقات رياضية تعتمد على فرضية تموجات «الأثير»، وقد مكَّنته هذه الفرضية من وضع قوانين دقيقة في ظاهرة الانكسار المضاعف (المزدوج) birefringence الذي يحدث في بلورة الكلْسيت (كربونات الكلسيوم CaCO3)، وهي الظاهرة التي لاحظها أول مرة إيراسْموس Erasmus عام 1669. ولكن لم تتضح ظاهرة استقطاب الضوء إلا في عام 1808 عندما راقب مالوس Malus انعكاس ضوء الشمس عن الزجاج من خلال بلورة الكلسيت، ورأى صورتين للشمس ولاحظ أنه إذا أديرت البلورة اشتد ضياء إحدى الصورتين وضعف ضياء الأخرى، وأنه عندما تكون شدة إحداهما عظمى تكون شدة الأخرى صغرى. وقد أدهشت هذه الظاهرة فهماء ذلك العصر الذين رفدوا تلك الظاهرة بمعلومات جديدة. فآراغوArago مثلاً اكتشف الظواهر اللونية في الاستقطاب اللوني، وبيوBiot اكتشف ظاهرة الاستقطاب الدوراني بدراسة تأثير بعض المواد كالسكريات في الضوء المستقطب. وقد ثبتت صحة هذه الاكتشافات بفضل الأبحاث التي قام بها بروستر Brewster. ومع ذلك لم يكن باستطاعة النظرية الموجية التي نطق بها هويْغنز، أونظرية الإصدار التي نطق بها نيوتن حتى تشرح الأسباب التي تجعل الضوء المنعكس عن الزجاج أوالذي اخترق بلورة الكلسيت يتمتع بخواص الاستقطاب وأنقد يكون له منحى اهتزاز معين وثابت.

وكان فرينل Fresnel أول من تقدم بشرح مُرْضٍ عام 1821، وذلك بافتراض حتى الضوء يتولد عن اهتزاز «الأثير» اهتزازاتٍ عرضانية (عمودية على منحى انتشارها)؛ واتى الحل النهائي السليم لهذه المسألة على يد مكْسِويل Maxwel عام 1869، إذ بينت معادلات مكسويل حتى الضوء يتكون من موجات كهربائية مغنطيسية(كهرمغنطيسية) يمكنها حتى تنتشر في الخلاء دونما حاجة إلى حامل مادي كالأثير الذي كان الفهماء يفترضون وجوده. وتدل النظرية مؤيَّدةً بالتجربة على حتى المتجه الكهربائي في الموجة الكهرمغنطيسية هووحده من دون المتجه المغنطيسي المسؤول عن الظواهر الضوئية، لذلك يمكن القول إذا المتجه الكهربائي هوالذي يمثّل المتجه الضوئي أوالاهتزازة الضوئية. وقد دلت تجارب انطفاء الاهتزازة الضوئية انطفاءً تاماً على حتى هذه الاهتزازة عرضانية، وأنه ليس لها أي مركبة طولية وفق منحى انتشارها. ويتصف الضوء الطبيعي (وهوالذي يصدر مباشرة من المنبع المضيء) بأن اهتزازاته الضوئية تتخذ في مدة قصيرة جداً (0.10 ثانية)، هي مدة دوام التأثير على شبكية العين، جميع المناحي العمودية على الشعاع الضوئي عشوائياً، لذلك يمكن حتى تعدَّ اهتزازة الضوء الطبيعي مؤلفةً من اهتزازتين متعامدتين متساويتين سعة وغير مترابطتين incoherent. أما اهتزازة الضوء المستقطب فهي ذات منحى ثابت محدد. ويكون هذا المنحى مستقيماً إذا كان الاستقطاب مستوياً أومستقيماً، ويكون لولبياً إهليلجياً في حالة الاستقطاب الإهليلجي أولولبياً دائرياً في حالة الاستقطاب الدائري.

معنى الاستقطاب

ولتوضيح معنى الاستقطاب نعتبر الذي يمثل موجة عرضية تنتشر في حبل يهتز. وهذه الموجة عرضية لأنها تنتشر على طول الحبل الذي يهتز في اتجاه عمودى على اتجاه انتشار الموجة.

نلاحظ في الشكل أنه إذا كان اهتزاز الموجة يحدث في اتجاه الفتحة فإن الموجة ستنفذ خلال الفتحة وفي هذه الحالة تسمى موجة مستقطبة خطيا linearly polarized wave أي حتى الموجة تمر في الفتحة إذا كان اتجاه استقطابها موازيا لاتجاه الفتحة أما عندما تكون الفتحة متعامدة مع اتجاه استقطاب الموجة فإن الموجة لا تمر. ويسمى الاتجاه الذي يحدث فيه اهتزاز الموجة المستقطبة خطيا باتجاه الاستقطاب polarization axis وإذا اعتبرنا الموجة الكهرومغناطيسية سنجد حتى الموجة تنتشر في اتجاه محور السينات مثلا أوالمحور x ويتذبذب المجال الكهربى في اتجاه محور الصادات أوالمحور y بينما يتذبذب المجال المغناطيسى في اتجاه المحور ع أو.المحورz

هذه الموجة مستقطبة خطيا ويؤخذ اتجاه المجال الكهربى على أنه اتجاه الاستقطاب أومحور الاستقطاب. وعادة لا يذكر المجال المغناطيسى للسهولة ولأنه دائما عمودى على المجال الكهربى. أما الموجات الكهرومغناطيسية التي تنبعث من مصدر ضوئي عادى كفتيل المصباح الكهربى مثلا فإنها تكون غير مستقطبة unpolarized وفي هذه الحالة يتذبذب المجال الكهربى للضوء الغير مستقطب في جميع الاتجاهات مع كونه متعامدا مع اتجاه انتشار الضوء. وفي حالة الضوء الغير مستقطب يمكن تحليل المجال الكهربى إلى مركبتين في اتجاهين متعامدين كلاهما متعامد مع اتجاه انتشار الموجة

أنواع الاستقطاب

وللاستقطاب أنواع منها:

الاستقطاب بالانعكاس

إن أبسط الطرائق المتبعة لتوليد ضوء مستقطب استقطاباً مستقيماً هي طريقة الانعكاس الزجاجي (الانعكاس عن السطح الفاصل بين وسطين عازلين كالهواء والزجاج مثلاً). ويمكن إيضاح هذا الاستقطاب بإسقاط ضوء طبيعي وحيد اللون على السطح المستوي للوح زجاجي (مرآة مستوية) إن الضوء الطبيعي، كما تجاوز ذكره، يُعدّ مؤلفاً من اهتزازتين عرضانيتين متعامدتين وغير مترابطتين وبذلك يصبح الضوء المنعكس مستقطباً استقطاباً مستقيماً، ويوصف اللوح الزجاجي في هذه الحالة بأنه مقطِّب

إن الضوء الطبيعي، كما تجاوز ذكره، يُعدّ مؤلفاً من اهتزازتين عرضانيتين متعامدتين وغير مترابطتين، ويُرمز إلى الاهتزازة التي تقع في مستوي الورود بالحرف (م) وللتي تكون عمودية على هذا المستوي بالحرف (ع). إذا تطبيق معادلات مكسويل على الانعكاس الزجاجي يبين حتى شدة الانعكاس، معطاة بمعامل الانعكاس (نع)، ليست واحدة بالنسبة للاهتزازتين (م) و(ع) وأن الشدتين تعطيان بما يلي:

حيث د: زاوية الورود ودَ = زاوية الانكسار، ويربط بينهما قانون سنيل ـ ديكارت:

جب د=ن جب دَ

حيث ن: قرينة الانكسار المطلقة للزجاج من أجل الضوء الوحيد اللون المستعمل.

إن رسم الخط البياني لتغيّر كلٍ من نعم ونعع بدلالة زاوية الورود (د) يعطي الشكل (1)، الذي يتبين منه حتى نعم=\ من أجل زاوية ورود معينة. وتدل صيغة نعم في العلاقة (1) على حتى ذلك يحدث عندما

وينتج من العلاقتين (2) و(3) حتى نعم تنعدم عندما تتحقق العلاقة:

حيث دب: زاوية الاستقطاب، أوزاوية بروستر (نسبة للعالم بروستر) إذن فمن أجل هذا الورود ومن أجله فقط تنعكس الاهتزازة (ع) وحدها وهي العمودية على مستوي الورود، وبذلك يصبح الضوء المنعكس بالزاوية دب مستقطباً استقطاباً مستقيماً، ويوصف اللوح الزجاجي في هذه الحالة بأنه مقطِّب polarizer. وتبين العلاقة (4) طريقة بسيطة وبسيطة لقياس قرائن انكسار المواد العازلة.

ويتبين من الشكل (1) أنه عندما لايكون الورود ناظمياً (د=0) أومماسياً (د=90ْ) أوبروسترياً (د=دب)، تكون شدتا الانعكاس نعم ونعع مختلفتين، أي إذا الضوء المنعكس حينئذقد يكون مستقطباً استقطاباً جزئياً بسبب الاختلاف بين سعتيْ الاهتزازتين (م) و(ع). وكذلكقد يكون الضوء المنكسر في اللوح الزجاجي والبارز منه لأن الأشعة المنكسرة تتضمن دائماً بعضاً من كلا الاهتزازتين بنسب مختلفة.

ويستقطب الضوء الطبيعي عندما ينعكس انعكاساً معدنياً أي عن سطح ناقل للكهرباء، غير حتى هذا الاستقطاب لاقد يكون تاماً بل جزئيٌ تسود فيه الاهتزازة (ع) العمودية على مستوى الورود. ويكون الاستقطاب أشد ماقد يكون عندما تبلغ زاوية الورود قيمة خاصة تتعين بالعلاقة (4) ذاتها. ويبين الشكل (1) المنحنيين في حالة الانعكاس المعدني.

قانون مالوس

إذا سقط الضوء المستقطب المنعكس عن لوحٍ زجاجي (مقطِّب) على لوح زجاجي ثانٍ (مرآة) بزاوية ورود تساوي زاوية بروستر دب فإن التجربة تبيّن حتى شدة الضوء المنعكس عن اللوح الثاني تكون عظمى إذا كان مستويا الورود على اللوحين، الأول والثاني، متوازيين، وتكون منعدمة إذا كانا متعامدين. ويوصف اللوح الثاني بأنه محلِّل analyser لأنه يكشف استقطاب الضوء الساقط عليه.

وإذا كانت يه الزاوية بين مستويي الورود على اللوحين، وكانت ب0 سعة الاهتزازة الضوئية الساقطة على المحلل (الشكل 2)، فيمكن تحليل هذه الاهتزازة إلى مركبتين: الأولى م حـ موازية لمستوي الورود على المحلل فتنعدم، والثانية م ب عمودية على هذا المستوي فتنعكس، ولكن سعتها تساوي: ب= ب0 تجب يه، ولما كانت شدة الاهتزازة تتناسب مع مربع سعتها، فإن شدة الاهتزازة المنعكسة عن المحلل تساوي:

ش=ش0تجب2يه(قانون مالوس) (5)

حيث ش: شدة الضوء المستقطب الساقط على المحلّل. فإذا توازى مستويا الورود يه=\ْ كانت شدة الاهتزازة المنعكسة عن المحلل عظمى وتساوي ش0، وإذا تعامد المستويان (يه= 90ْ) انعدمت هذه الاهتزازة وانطفأ الضوء بعد المحلل.

إن تناسب ش مع تجب2يه يصح من أجل جميع أنواع المقطبات والمحللات، غير أنه ينبغي في حالة المحللات النافذة (المقطبات بالانكسار المضاعف) حتى يؤخذ بالحسبان مايفقده الضوء بالامتصاص في أثناء نفوذه من المحلل. لذلك يُضرب الطرف الأيمن من العلاقة (5) بثابت (ثا) أقل من الواحد وتتوقف قيمته على طبيعة المحلل: ش=ثا ش0 تجب2يه (6)

ويستفاد من قانون مالوس هذا في المقارنة بين شدات المنابع الضوئية بإسقاط أضوائها على مقطب يليه محلل.

الاستقطاب بالانكسار المضاعف

تقسم الاوساط الفيزيائية إلى قسمين :

• متماثل المناحي isotropic: كالغازات والسوائل
• مختلف المناحي anisotropic:كبلورة الكلسيت

وتتصف الأوساط متباينة المناحي بأنه يحدث فيها انكسار مضاعف (مزدوج). فإذا وضعت صفيحة من الكلسيت على رقعة من الورق الأبيض رُسمت عليها نقطة. فإنه يُرى لهذه النقطة صورتان (خيالان) حين يُنظر إليها ناظمياً. وحين تُدار الصفيحة في مستويها تظل إحدى الصورتين ثابتة في حين تدور الصورة الأخرى حولها. وتوصف البلورة بأنها أحادية المحور إذا كان لها محور ضوئي واحد، وتوصف بأنها ثنائية المحور إذا كانت ذات محورين ضوئيين.

يوصف الوسط بأنه متماثل المناحي isotropic إذا كانت خواصه الفيزيائية واحدة في جميع المناحي كالغازات والسوائل والأجسام المتبلورة من الزمرة المكعبية، أما الأجسام المتبلورة من الزمر الأخرى فتوصف بأنها متباينة المناحي anisotropic، مثل بلورة الكلْسيت. وتتصف الأوساط متباينة المناحي بأنه يحدث فيها انكسار مضاعف (مزدوج). فإذا وضعت صفيحة من الكلسيت على رقعة من الورق الأبيض رُسمت عليها نقطة، فإنه يُرى لهذه النقطة صورتان (خيالان) حين يُنظر إليها ناظمياً. وحين تُدار الصفيحة في مستويها تظل إحدى الصورتين ثابتة في حين تدور الصورة الأخرى حولها. وتبطل ظاهرة الانكسار المضاعف عندما يسقط الضوء على البلورة وفق منحى يسمى «المحور الضوئي». وتوصف البلورة بأنها أحادية المحور إذا كان لها محور ضوئي واحد، وتوصف بأنها ثنائية المحور إذا كانت ذات محورين ضوئيين.

ويطلق على الأشعة المنكسرة التي تخضع لقانون سنيل ـ ديكارت (العلاقة 2) «الأشعة العادية» ordinary rays، ويطلق على الأشعة المنكسرة التي لا تخضع لهذا القانون «الأشعة الشاذة» extraordinary rays. وكل من الشعاعين العادي والشاذقد يكون مستقطباً استقطاباً مستقيماً، غير حتى اهتزازة الشعاع الشاذ تكون متعامدة مع اهتزازة الشعاع العادي التي تكون دائماً عمودية على المحور الضوئي.

وقد فسّر هويْغنز ظاهرة الانكسار المضاعف بالقول: إذا الموجة العادية الوحيدة اللون تنتشر في البلورة بسرعة واحدة في جميع المناحي، أي إذا للبلورة قرينة انكسار واحدة نع من أجل هذه الموجة كما لوكانت البلورة متماثلة المناحي، وهذا يعني حتى صدر (جبهة) الموجة العادية كروي. أما الموجة الشاذة فتنتشر في البلورة بسرعة تختلف باختلاف منحى انتشارها، وتراوح قيمة هذه السرعة بين سرعة انتشار الموجة العادية سرع التي توافقها قرينة الانكسار نع وبين سرعة عظمى أوصغرى هي سرعة الانتشار الشاذة الأصلية سرش التي توافقها قرينة الانكسار الشاذة الأصلية نش. وقد عثر هويْغنز أنه يمكن تمثيل صدر الموجة الشاذة ببترٍ ناقص مجسَّم دوراني يمس صدر الموجة العادية الكروي في نقطتين يمثل المستقيم الواصل بينهما منحى المحور الضوئي للبلورة. وقد اصطلح على حتى توصف البلورة بأنها موجبة إذا كان البتر الناقص المجسّم يقع داخل الكرة مثل بلورة الكوارتز، وبأنها سالبة إذا كان البتر يقع خارج الكرة مثل بلورة الكلْسيت.

يتبين مما تجاوز حتى البلورة المتباينة المناحي تحوِّل الضوء الطبيعي بالانكسار المضاعف إلى ضوء مستقطب استقطاباً مستقيماً، إلا حتى الحزمتين المستقطبتين، العادية والشاذة، تكادان تكونان منطبقتين إحداهما على الأخرى، بسبب صغر حجم البلورات الطبيعية، فيكون الضوء حيث ينطبقان ضوءاً طبيعياً غير مستقطب. لذلك ينبغي التخلص من إحدى الحزمتين حتى تُتاح الاستفادة من الحزمة الأخرى كضوء مستقطب استقطاباً مستقيماً. ويمكن حتى يتم ذلك بطرائق مختلفة منها.

موشور نيكول

هومقطب صممه نيكول Nicol عام .1829 تؤخذ بلورة من الكلسيت بأبعاد مناسبة وتُشْطر شطرين وفق مستوٍ عمودي على محورها الضوئي، ثم يلصق الشطران بطبقة رقيقة من بلسم كندا الذي تبلغ قرينة انكساره (1.55)، وهي وسط بين قرينتيْ انكسار الشعاع العادي (1.66) والشعاع الشاذ (1.48) بالنسبة لضوء الصوديوم (الشكل 4). وتُجعل زاوية ورود الحزمة الضوئية على الموشور لتكون زاوية ورود الشعاع العادي على طبقة البلسم أكبر من الزاوية الحرجة (التي يحدث عندها انعكاس كلي)، فينعكس هذا الشعاع كلياً عن طبقة البلسم ويسقط على منطقة ب مغطاة بالسواد تمتصه وتمنع انعكاسه مرة أخرى. أما الشعاع الآخر الشاذ فينفذ من البلسم ومن الموشور.

موشورا ولاستون وروشون

صمَّم الأول منهما ولاّستون Wollaston ويتكون هذا المقطب من موشورين قائمي الزاوية من الكوارتز يُلصقان كما هومبين في الشكل (5)، بوساطة الغليسرين أوزيت الخروع، ويكون المحوران الضوئيان فيهما متعامدين بحيث إذا سقطت حزمة من الضوء الطبيعي ناظمياً على الموشور نفذت منه حزمتان منفصلتان مستقطبتان في اتجاهين متعامدين، ويكون في كلٍ منهما شيءٌ من الزيغ اللوني بسبب انكسارهما داخل الموشور. ويمكن باستعمال حاجز مناسب اختيار إحدى الحزمتين.

أما في موشور روشون Rochon الذي يبينه الشكل (6)، فإن إحدى الحزمتين (العادية) تحافظ على منحاها من دون انحراف ولاقد يكون فيها زيغ لوني، لذلك يفضل استعمالها على الحزمة الأخرى الشاذة ذات الزيغ اللوني فتحجب هذه بحاجز مناسب.

أنواع الستقطاب المضاعف

• النكسار المضاعف (الطارئ-الميكانيكي-الكهربائي-المغناطيسي)
• استقطاب الضوء بالتبعثر:

عندما تسقط حزمة من ضوء طبيعي على جزيئات أوجسيمات أبعادها من مرتبة طول موجة الضوء λ يتبعثر (يتشتت) الضوء في جميع المناحي ويلاحظ حتى الضوء المبعثر في اتجاه ماقد يكون مستقطباً استقطاباً جزئياً بوجه عام، ولكنهقد يكون مستقطباً استقطاباً تاماً إذا كان مبعثراً في منحىً عمودي على منحى انتشار الحزمة الأصلية. ويمكن تفسير استقطاب الضوء المبعثر بعمل الجسيمات الدقيقة بالقول: إن هذه الجسيمات تحتوي على إلكترونات تهتز اهتزازاً قسرياً بتأثير الضوء الساقط عليها فيكون منحى اهتزازها كمنحى الاهتزازة الضوئية الواردة، وتصبح هذه الجسيمات منابع ضوئية ينتشر منها الضوء في جميع الاتجاهات. أنماط الضوء المستقطب : الضوء المستقطب استقطابا مستقيما الضوء المستقطب استقطابا دائريا الضوء المستقطب استقطاب اهليليجيا

المستقطب Polarizer - البـولارويد Polaroid

يمكن الحصول على ضوء مستقطب من الضوء الغير مستقطب بالاستعانة بعدسات مخصوصة تسمى مرشح استقطابي polarizer ومن المواد المستخدمة تجاريا تلك التي تندرج تحت اسم بولاريود. مثل هذه المواد تسمح لمركبة الضوء (أي مركبة المجال الكهربى) التي تتذبذب في اتجاه معين بالمرور خلالها بينما تمتص مركبة المجال المتعامد مع هذا الاتجاه كما هومشروح في شكل 68.

ويسمى الاتجاه الذي تسمح فيه العدسة بمرور المجال (أوالضوء) محور النفاذية Transmission axis أومحور الاستقطاب للمادة. ومهما كان اتجاه محور النفاذية فإنه عند سقوط الضوء غير المستقطب (الضوء العادي) على هذه المادة

فإن شدة الضوء المار من خلالها تكون نصف شدة الضوء الساقط ،والسبب في ذلك هوحتى الضوء العادي غير المستقطب ويحتوى على مجال كهربى يتذبذب في جميع الاتجاهات العرضية عموديا على اتجاه انتشار شعاع الضوء وبنفس الشدة. ويمكن تحليل المجال الكهربى إلى مركبتين إحداهما في اتجاه محور النفاذية والأخرى في الاتجاه العمودى وتكون المركبتان متساويتان في الشدة. ولما كانت المركبة الموازية لمحور النفاذية هي التي تمر فإن الضوء النافذ ستكون شدته نصف شدة الضوء الساقط.

هومقطب نجح لَنْد Land في صنعه عام 1932 بأن فَرش بلورات دقيقة جداً من يود كبريتات الكينين quinine iodosulfate الإبرية الشكل على لوحٍ من مادةٍ لدنة، وشدَّ هذا اللوح حتى يجعل جميع المحاور الضوئية للبلورات متوازية. وتتصف مثل هذه البلورات إضافة إلى خاصية الانكسار المضاعف بأن عامليْ امتصاصها للحزمتين المستقطبتين مختلفان اختلافاً كبيراً ليكفي حتىقد يكون ثخن البلورة من مرتبة 0.1 مم حتى تمتص البلورة الحزمة العادية امتصاصاً تاماً وتدع الحزمة الشاذة تنفذ منها دونما امتصاص يُذكر.

وثمة نوع ثانٍ من البولاريد يتم صنعه بوضع اليود الخطي عالي التبلمر linear high polymer الذي يتصف بخاصية الامتصاص السابقة على لوحٍ شفاف جزئياته موجَّهة ويتكون من مادةٍ مثل غوْل متعدد الفينيل polyvinyl alcohol أو(PVA)، لكي ترتِّب سلسلة اليود نفسها موازيةً لجزئيات (PVA).

والنوع الثالث من البولاريد يعتمد على خاصية التوجيه في المادة اللدنة نفسها والتي تتكون من متعدد الفينيلين polyvinylene الموجَّه. ويمتاز البولاريد في أنه يمكن صنعه على شكل ألواح ذات مساحة كبيرة تصل إلى نحومتر مربع ليتيسر معها إجراء تجارب كثيرة كان يصعب إجراؤها باستعمال المقطبات الأخرى. فهي تستعمل اليوم لإضعاف شدة الأضواء المنعكسة غير المرغوب فيها والتي تكون بوجه عام مستقطبة. كذلك يمكن استعمالها للتخلص من بهر ضوء السيارات للسائقين في الليل كما يمكن استعمالها لرؤية الصور مجسَّمة.

استقطاب الضوء بالتبعثر

عندما تسقط حزمة من ضوء طبيعي على جزيئات أوجسيمات أبعادها من مرتبة طول موجة الضوء λ يتبعثر (يتشتت) الضوء في جميع المناحي، ويلاحظ حتى الضوء المبعثر في اتجاه ماقد يكون مستقطباً استقطاباً جزئياً بوجه عام، ولكنهقد يكون مستقطباً استقطاباً تاماً إذا كان مبعثراً في منحىً عمودي على منحى انتشار الحزمة الأصلية، وتكون اهتزازاته في هذه الحالة عمودية على منحى انتشار هذه الحزمة.

ويمكن تفسير استقطاب الضوء المبعثر بعمل الجسيمات الدقيقة بالقول: إذا هذه الجسيمات تحتوي على إلكترونات تهتز اهتزازاً قسرياً بتأثير الضوء الساقط عليها فيكون منحى اهتزازها كمنحى الاهتزازة الضوئية الواردة، وتصبح هذه الجسيمات منابع ضوئية ينتشر منها الضوء في جميع الاتجاهات. ويعود ظهور السماء مضيئةً في جوٍ خالٍ من الغيوم إلى تبعثر ضوء الشمس على جزيئات الهواء، ولولا هذا التبعثر لبدت السماء مظلمة حالكة السواد مثلما تظهر لرواد الفضاء في الطبقات العليا من الجوالأرضي.

وقد تبين حتى شدة الضوء المبعثر تتناسب عكساً مع λ4، فالضوء الأبيض المبعثر في الاتجاه العمودي على منحى انتشار الحزمة الأصلية تسود فيه الأضواء القصيرة الموجة فيبدوأزرق اللون بينما تسود في الضوء غير المبعثر (في منحى انتشار الحزمة) الأضواء الطويلة الموجة فيظهر أحمر اللون. مثال ذلك زرقة السماء وزرقة المحاليل ذات الجسيمات الدقيقة المعلَّقة واحمرار الشمس عند شروقها وغروبها.

أنماط الضوء المستقطب

يصنف الضوء المستقطب وفقاً لمنحى الاهتزازة الضوئية فيه. ففي الضوء المستقطب استقطاباً مستقيماً (خطياً) تظل الاهتزازة الضوئية في مستوٍ واحد يحتوي على منحى الانتشار. ومن أجل ضوءٍ وحيد اللون (ذي تواتر معين) يتغير مطال الاهتزازة تغيراً جيبياً مع الزمن. أما الضوء المستقطب دائرياً P.circularly، فإن نهاية اهتزازاته ترسم لولباً دائرياً محوره منحى الانتشار ويكون مطال الاهتزازة ثابتاً وتواتر (تردد) الدوران يساوي تواتر الضوء. وفي الضوء المستقطب إهليلجياً P.elliptically تدور الاهتزازة حول منحى الانتشار دوراناً لولبياً ولكن مطالها يتغير ليكون مرتسم الاهتزازة على مستوٍ متعامد مع منحى الانتشار بتراً ناقصاً.

إن هذه الأنماط الثلاثة للضوء المستقطب يمكن ردها إلى مركبتين مستقيمتين متعامدتين تعهدان كما يلي:

س=بس جب (ى ز+طس) (7)

ع=بع جب (ى ز+طع) (8)

حيث س: المركبة وفق المحور س وع: المركبة وفق المحور ع، وحيث بس وبع السعتان، وطس وطع الطوران، وحيث ى=π2 ت هوالتواتر الزاوي باعتبار (ت) التواتر، وحيث ز: الزمن

فمن أجل الضوء المستقطب استقطاباً خطياًقد يكون: طس=طع وبس ≠بع.

ومن أجل الضوء المستقطب دائرياًقد يكون:

ومن أجل الضوء المستقطب إهليلجياًقد يكون: طس≠ طع وبس≠ بع

وعلى هذا تكون معادلة الاهتزازة المستقيمة:

ومعادلة الاهتزازة الدائرية:

س2+ع2=ب2

ومعادلة الاهتزازة الإهليلجية

حيث ط=طع- طس

توليد ضوء مستقطب استقطاباً إهليلجياً

يمكن توليد ضوء مستقطب استقطاباً إهليلجياً أودائرياً باستعمال مقطب خطي مع صفيحة موجية wave plate. وهي عادة صفيحة بلورية أحادية المحور متوازية الوجهين تُهيّأ ليكون محورها الضوئي موازياً وجهيها، وهوأحد محورين متعامدين في الصفيحة يوصف أحدهما بالسريع والآخر بالبطيء، فإذا سقطت حزمة متوازية من ضوء وحيد اللون مستقطب خطياً سقوطاً ناظمياً على صفيحة موجية كهذه وكانت هناك زاوية بين الاهتزازة الساقطة ومحور الصفيحة الضوئي فإن الحزمة تنكسر انكساراً مضاعفاً لدى نفوذها في الصفيحة وتنتشر فيها اهتزازتان متعامدتان منحى يتطابق شعاعاهما ولكنهما يختلفان سرعة، (الشكل 7). فالاهتزازة الموازية للمحور السريع تنتشر بسرعة أكبر من سرعة انتشار الاهتزازة الموازية للمحور البطيء وينجم عن ذلك حدوث فرق في المسير الضوئي Δ بين الاهتزازتين عند بروزهما من وجه الصفيحة الثاني يساوي:

حيث ث: ثخن الصفيحة. ويوافق هذا فرقاً في الطور يساوي:

حيث نع: قرينة انكسار الصفيحة بالنسبة لاهتزازة الشعاع العادي، ونش: قرينة انكسارها بالنسبة لاهتزازة الشعاع الشاذ، وذلك من أجل الضوء الوحيد اللون ذي الطول الموجي l.

وتوصف الصفيحة بأنها صفيحة ربع موجية إذا كانت تولد في حالة الورود الناظمي فرقاً في الطور يساوي 90ْ، أي تولد فرقاً في المسير الضوئي يساوي l/4 أي إذا ثخنها ث وفقاً للعلاقة (9) يساوي:

وبالمثل توصف الصفيحة بأنها نصف موجية إذا كانت تولِّد فرقاً في المسير الضوئي يساوي π/2 أي إذا ثخنها ث يعطى بالعلاقة:

فإذا سقط ضوء وحيد اللون λ ومستقطب خطياً سقوطاً ناظمياً على صفيحة ربع موجية وكانت اهتزازته تميل 45ْ درجة على محورها السريع فإن هذه الاهتزازة تتحلل إلي مركبتين متساويتين موازيتين للمحور السريع وللمحور البطيء. ويمكن تمثيل هاتين المركبتين قبل اختراقهما الصفيحة بالعلاقتين:

س= بس جب (ى ز+طس)

ع= بس جب (ى ز+طس)

حيث س: المركبة وفق المحور س وع : المركبة وفق المحور ع، وحيث المحوران: س وع يوازيان محوري الصفيحة ربع الموجية. ويمكن كتابة المركبتين بعد اختراقهما الصفيحة كما يلي بافتراض حتى س تقدمت على ع بربع الموجة

أو

ع = بس جب ( ىز +ط س)

وهاتان العلاقتان تعطيان معادلة الاهتزازة الحاصلة وهي: س2+ع2=بس2 وهي معادلة اهتزازة دائرية يُمنى. وإذا كانت اهتزازة الضوء المستقطب خطياً تميل على المحور السريع بزاوية (-45ْ) درجة، كان دوران الاهتزازة الدائرية بالاتجاه المعاكس (أي يسرى).

فمن الممكن إذن باستعمال صفيحة ربع موجية ومقطب خطي الحصول على ضوء مستقطب دائرياً، وتوصف مجموعة هذه الصفيحة والمقطب بأنها مقطب دائري.

وإذا كانت اهتزازة الضوء المستقطب خطياً تميل على المحور السريع للصفيحة ربع الموجية بزاوية تختلف عن 45ْ، كانت الاهتزازة البارزة من الصفيحة ربع الموجية مستقطبة إهليلجياً ومعادلتها:

وهي معادلة بتر ناقص قائم منسوب إلى محوريه م س، م ع.

وعندما يسقط ضوء مستقطب دائرياً سقوطاً ناظمياً على صفيحة ربع موجية فإن الضوء البارز منهاقد يكون مستقطباً خطياً وتميل اهتزازاته بـ45ْ على محوري الصفيحة.

أما سلوك الصفيحة ربع الموجية بالنسبة إلى الضوء المستقطب إهليلجياً ففيه شيء من التعقيد إذا لم يعهد منحيا محوري الاهتزازة الإهليلجية القائمة (المعادلة 12). أما إذا عهد هذان المنحيان في الضوء المستقطب إهليلجياً وكان سقوط هذا الضوء على صفيحة ربع موجية ليوازي هذان المنحيان محوري الصفيحة، فإن الضوء البارز منهاقد يكون مستقطباً استقطاباً مستقيماً (خطياً).

وباتباع المعالجة السابقة نفسها من أجل صفيحة نصف موجية عثر أنه إذا سقط عليها ناظمياً ضوء مستقطب خطياً وتميل اهتزازته بزاوية يه على المحور السريع فإنه يبرز من الصفيحة نصف الموجية مستقطباً استقطاباً خطياً، ولكن اهتزازته تميل على المحور السريع بزاوية تساوي (-يه)، أي إنها تكون متناظرة مع الاهتزازة الواردة بالنسبة إلى المحور السريع. ويستفاد من هذه الخاصية باستعمال الصفيحة نصف الموجية في مقاييس الاستقطاب الدوراني لمعايرة السكريات.]]..

تداخل الضوء المستقطب

يتضح أنه تبرز من الصفيحة الموجية حزمة ضوئية مؤلفة من اهتزازتين متعامدتين منحى، ويتوقف فرق المسير الضوئي بينهما على ثخن الصفيحة (العلاقة 9). وهاتان الاهتزازتان لا تولدان ظواهر التداخل لتعامدهما، غير أنه إذا سقطت الحزمة البارزة على محلل منحى اهتزازته وفق م ب، فإنه يمرِّر من الاهتزازتين المتعامدتين م س، م ع مركبتيهما وفق م ب، أي تبرز من المحلل اهتزازتان م ش، م شَ متفقتان منحىً، أي إنهما قابلتان لتوليد ظواهر التداخل. وتتوقف مواقع الأهداب المضيئة والمظلمة على قيمة ثخن الصفيحة إذا كان الضوء الساقط ناظمياً على الصفيحة وحيد اللون. أما إذا كان الضوء أبيض اللون فإن ظواهر التداخل تكون ملونة بسبب انطفاء بعض ألوان الطيف المستمر وظهور البعض الآخر. ويطلق على هذه الظاهرة «الاستقطاب اللوني». ويختلف اللون باختلاف ثخن الصفيحة وكذلك باختلاف زاوية سقوط الضوء عليها إذا لم يكن ناظمياً. ولا تظهر هذه الألوان إلا إذا كان فرق المسير الضوئي الذي تحدده العلاقة (9) أصغر من بضعة مكرونات. فمثلاً إذا جعلت صفيحة رقيقة من الميكا يختلف ثخنها من نقطة إلى أخرى بين مقطب ومحلل متعامدين وأضيئت بالضوء الأبيض فإنه يبرز من المحلل أضواء ملونة تختلف باختلاف ثخن الصفيحة، وتبدوالصفيحة إذا نظر إليها من خلال المحلل كأنها جزء من نافذة زجاجها متعدد الألوان.

ويستفاد من ظواهر الاستقطاب اللوني هذه في دراسة البلورات وبعض المواد العضوية كالألياف العضلية وحبات النشاء وقنوات النباتات المتباينة المناحي، ويستعمل لهذه الغاية المجهر الاستقطابي polariscope، وهومجهر عادي أُلحق به مقطب قبل المادة المدروسة ومحلل في طريق الأشعة المكونة للصورة (الخيال).

دوران مستوي الاستقطاب

تتصف بعض المواد بأنها تدير مستوي استقطاب الضوء المستقطب خطياً الساقط عليها، وتوصف هذه المواد بأنها فعالة ضوئياً optically active. ويمكن حتى تكون هذه المواد متماثلة المناحي صلبة أوسائلة أوغازية أوفي حالة محاليل مثل زيت التربنتين وأبخرة الكافور وحمض الطرطر والمحاليل السكرية، كما يمكن حتى تكون متباينة المناحي من البلورات كالكوارتز (المرو). وقد عثر فيها جميعاً حتى زاوية دوران مستوى الاستقطاب هـ تتناسب مع المسافة ل التي يبترها الضوء في المادة، أي:

هـ = ρ ل في البلورات (13)

أو: هـ = ρ ل ك في السوائل (14)

أو: هـ = ρل ت في المحاليل (15)

حيث ك: الكتلة الحجمية للسائل، وت: هجريز المادة الفعالة المذابة في مذيب غير فعال ضوئياً، وρ: الدوران النوعي، وهوثابت يختلف من مادة لأخرى، ويتوقف على طول موجة الضوء الوحيد اللون المستعمل λ ويتناسب معها عكساً على وجه التقريب.

وغالباً ماقد يكون الدوران في المادة الفعالة نفسها في اتجاهين متعاكسين (نحواليمين ونحواليسار) مع ثبات القيمة المطلقة للدوران النوعي ρ في نوعيها اليميني واليساري.

وقد فسر فرينل دوران مستوي الاستقطاب على غرار تفسير هويغنز لظاهرة الانكسار المضاعف، وذلك بافتراضه حتى الاهتزازة المستقيمة في الضوء المستقطب تتحلل حين تخترق المادة الفعالة إلى اهتزاتين دائريتين يمنى ويسرى تنتشران بسرعة واحدة وبالتواتر نفسه، إنما تكون سرعتاهما في الدوران مختلفتين بعض الاختلاف مما يؤدي إلى حدوث فرق في الطور بينهما ينتج منه دوران الاهتزازة الواردة لدى بروزها من المادة بزاوية الدوران هـ.

وتنشأ الفعالية الضوئية في السوائل والمحاليل من انعدام التناظر في جزيئات المادة، وتنشأ في البلورات كالكوارتز من فقدان مستوٍ للتناظر في بنيتها فإذا صهر الكوارتز فقد فعاليته الضوئية.

إن تطبيق العلاقة (15) أي: هـ= ρ ل ت، يسمح بحساب هجريز محلول مادة فعالة ما إذا كان الدوران النوعي ρلهذه المادة معروفاً، إذ يكفي قياس زاوية الدوران هـ لحساب الهجريز ت. ويتم ذلك باستعمال مقياس الاستقطاب الدوراني. وتؤلف هذه العملية مايدعى «المعايرة الاستقطابية»، وهي أسرع من المعايرة الكيمياوية وأكثر منها دقة، ولا تستدعي تخريب المادة المدروسة. وتستعمل هذه المعايرة الاستقطابية كثيراً في مختبرات الكيمياء لتقدير نقاوة المواد ومتابعة سير التفاعلات وعمليات التجزيء. وأكثر هذه التطبيقات أهمية معايرة السكريات وخاصة السكروز C12H22O11

الانكسار المضاعف الطارئ

يمكن لبعض الأوساط الشفافة المتامثلة المناحي حتى تصبح متباينة المناحي وذات انكسار مضاعف إذا تعرضت لقوى خارجية كالضغط أوالشد أوإذا أثر فيها حقل كهربائي أوحقل مغنطيسي. وتحتفظ هذه الأوساط بخواصها المكتسبة هذه مادامت القوى الخارجية تؤثر فيها، وتفقد هذه الخواص بزوال هذه القوى.

الانكسار المضاعف الميكانيكي

يكتسب مكعب شفاف من الزجاج أواللدائن خاصية البلورة الأحادية المحور السالبة فيها إذا طُبِّق على وجهين متقابلين فيه ضغط شديد، ويكون منحى المحور الضوئي منحى الضغط المطبق عليه نفسه. وتتناسب شدة الانكسار المضاعف نع- نش طرداً مع الضغط المطبق وتتوقف قيمتها على طبيعة الوسط.

وينشأ عن تطبيق ضغوط غير منتظمة على كتلة زجاجية مثلاً حتىقد يكون توزع الإجهادات فيها غير منتظم أيضاً، أي تختلف شدة الانكسار المضاعف من نقطة لأخرى وتختلف بالتالي المسارات الضوئية للأشعة التي تخترق تلك الكتلة منكسرة انكساراً مضاعفاً، فتتكون صورة تداخل تظهر المناطق ذات الإجهادات المتنوعة، (الشكل 9). وقد أصبح هذا أساساً لطريقة ضوئية في تحليل الإجهادات سميت المرونة الضوئية photoelasticity. وقد تطورت هذه الكيفية تطوراً كبيراً وأصبح من الممكن باتباعها تحليل الإجهادات في هندسة الإنشاءات كالجسور والجيزان بدقة تفوق كثيراً الدقة في الطرائق الأخرى. فيصنع للمنشأ نموذج مصغر من مادة متماثلة المناحي شفافة، ويجعل النموذج بين مقطب ومحلل متعامدين وتطبَّق عليه مجموعة من القوى تمثِّل بنسبة التصغير نفسها القوى التي يتسقط حتى تطبَّق على المنشأ الأصلي، فتولد أهداب تداخل تبيِّن الإجهادات وتوزعها في النموذج المختبر. كذلك تتبع الطريقة نفسها للكشف عن الإجهادات الداخلية التي يمكن حتى تحدث عند تبريد الزجاج ولاسيما مايستعمل منه في صناعة العدسات والمواشير وغيرها من الأدوات الضوئية.

الانكسار المضاعف الكهربائي

تصبح معظم السوائل ذات انكسار مضاعف حين توضع في حقل كهربائي فتكتسب خواص البلورة الأحادية المحور الموجبة التي يتفق محورها الضوئي مع منحى الحقل الكهربائي وتتناسب شدة الانكسار المضاعف الطارئ (نع- نش) مع مربع شدة الحقل الكهربائي وتتوقف على طول موجة الضوء وعلى طبيعة السائل. ويمكن ملاحظة هذه الظاهرة بإجراء التجربة المبينة في الشكل (10) حيث يُغمر مكثف كهربائي في سائل من النتروبنزين يملأ حوضاً زجاجياً، وتجعل المجموعة المسماة خلية كِر Kerr (نسبة للعالم كِر) بين مقطب ومحلل متعامدين لينطفئ الضوء بعد المحلل إذا لم يطبق فرق كمون على لبوسي المكثف، ولكنه يظهر إذا طَبَّق فرق كمون كافٍ. وعندما يطبق على الخلية فرق كمون ذوتواتر (تردد) عالٍ يصدر الضوء من الخلية ويحتجب (ينطفئ) في برهة قصيرة جداً. كذلك استخدمت خلية كِر مغلاقاً كهرضوئيا electrooptic shutter. كذلك استخدمت خلية كر على هذا النحوبدلاً من الدولاب المسنن في تجربة فيزوFizeau لقياس سرعة الضوء.

الانكسار المضاعف المغنطيسي

حين يوضع سائل في حقل مغنطيسي شديد يرى حتى هذا السائل يكتسب خواص البلورة الأحادية المحور التي يتفق منحى محورها الضوئي مع منحى الحقل المغنطيسي. وتتناسب شدة الانكسار المضاعف الطارئ مع مربع شدة الحقل وتتوقف على طول موجة الضوء وعلى طبيعة السائل.

النظرية

Basics: plane waves

${\displaystyle {\vec {E ({\vec {r ,t)=\mathrm {Re \left[\left(A_{x ,A_{y \cdot e^{i\phi ,0\right)e^{i(kz-\omega t) \right]$

or alternatively,

${\displaystyle {\vec {E ({\vec {r ,t)=(A_{x \cdot \cos(kz-\omega t),A_{y \cdot \cos(kz-\omega t+\phi ),0)$

حالة الاستقطاب

Unpolarized light

Parameterization

${\displaystyle \mathbf {e ={\begin{bmatrix a_{1 e^{i\theta _{1 \\a_{2 e^{i\theta _{2 \end{bmatrix .$

Parameterization of incoherent or partially polarized radiation

${\displaystyle \mathbf {\Psi =\left\langle \mathbf {e \mathbf {e ^{\dagger \right\rangle \,$

${\displaystyle =\left\langle {\begin{bmatrix e_{1 e_{1 ^{* &e_{1 e_{2 ^{* \\e_{2 e_{1 ^{* &e_{2 e_{2 ^{* \end{bmatrix \right\rangle$

${\displaystyle =\left\langle {\begin{bmatrix a_{1 ^{2 &a_{1 a_{2 e^{i(\theta _{1 -\theta _{2 ) \\a_{1 a_{2 e^{-i(\theta _{1 -\theta _{2 ) &a_{2 ^{2 \end{bmatrix \right\rangle$

${\displaystyle S_{0 =I\,$

${\displaystyle S_{1 =Ip\cos 2\psi \cos 2\chi \,$

${\displaystyle S_{2 =Ip\sin 2\psi \cos 2\chi \,$

${\displaystyle S_{3 =Ip\sin 2\chi \,$

${\displaystyle \mathbf {\Psi ={\frac {1 {2 \sum _{j=0 ^{3 S_{j \mathbf {\sigma _{j ,\;{\mbox{where$

${\displaystyle {\begin{matrix \mathbf {\sigma _{0 &=&{\begin{bmatrix 1&0\\0&1\end{bmatrix &\mathbf {\sigma _{1 &=&{\begin{bmatrix 1&0\\0&-1\end{bmatrix \\\\\mathbf {\sigma _{2 &=&{\begin{bmatrix 0&1\\1&0\end{bmatrix &\mathbf {\sigma _{3 &=&{\begin{bmatrix 0&-i\\i&0\end{bmatrix \end{matrix$

${\displaystyle \mathbf {u ={\frac {1 {S_{0 {\begin{bmatrix S_{1 \\S_{2 \\S_{3 \end{bmatrix .$

Propagation, reflection and scattering

${\displaystyle \mathbf {e' =\mathbf {J \mathbf {e .$

${\displaystyle \mathbf {J =\mathbf {T {\begin{bmatrix g_{1 &0\\0&g_{2 \end{bmatrix \mathbf {T ^{-1 ,$

${\displaystyle \mathbf {J =Je^{\mathbf {D ,$

${\displaystyle {\begin{matrix \mathbf {J_{b &=&J_{b e^{\beta \mathbf {\sigma \cdot \mathbf {\hat {n &{\mbox{and &\mathbf {J_{r &=&J_{r e^{\phi i\mathbf {\sigma \cdot \mathbf {\hat {m ,\end{matrix$

الاستقطاب في الطبيعة، العلوم، التقننية

تأثير الاستقطاب على الحياة اليومية

فهم الأحياء

الجيولوجيا

الكيمياء

الفلط

الأفلام ثلاثية الأبعاد

الاتصالات وتطبيقات الرادار

فهم المواد

Navigation

التصوير

الفن

أمثلة أخرى على الاستقطاب

انظر أيضا

هوامش ومصادر

وصلات خارجية

• Polarized Light in Nature and Technology
• Polarized Light Digital Image Gallery: Microscopic images made using polarization effects
• Polarization by the University of Colorado Physics 2000: Animated explanation of polarization
• MathPages: The relationship between photon spin and polarization
• A virtual polarization microscope
• Polarization angle in satellite dishes.
• Using polarizers in photography
• Molecular Expressions: Science, Optics and You — Polarization of Light: Interactive Java tutorial
• Electromagnetic waves and circular dichroism: an animated tutorial
• HyperPhysics: Polarization concepts
• Tutorial on rotating polarization through waveplates (retarders)
• SPIE technical group on polarization
• A Java simulation on using polarizers
• Antenna Polarization