POLARIZACIÓN DE LA LUZ. TRABAJOS DE MALUS, ARAGO Y FRESNEL

 
     
 

Después de explicar la dispersión en colores, la difracción y las interferencias, el modelo ondulatorio interpretó también la polarización de la luz. Los hallazgos encontrados en las investigaciones sobre este fenómeno ayudaron además a precisar que las ondas luminosas tienen que ser transversales y no longitudinales como se venía considerando.

 
     
 

En su época Huygens y Newton habían observado la polarización de la luz al atravesar cristales de calcita, pero no supieron cómo interpretarla y les pasó completamente desapercibido que el hecho delata que tiene que ser una onda transversal y no longitudinal como él creía.

  
     
 

A principios del siglo XIX Malus (1775-1812) había realizado varios experimentos para verificar aspectos de la teoría ondulatoria de Huygens y la reescribió en forma analítica. En sus trabajos estudió detalladamente la polarización y en 1808 descubrió que también se produce en la reflexión, poniendo en evidencia que no era un fenómeno inherente a medios cristalinos. Su descubrimiento de la polarización de la luz por la reflexión fue publicado en 1809 y enseguida desarrolló también una teoría de la doble refracción de la luz en cristales, que publicó en 1810.

 
     
 

Pocos años después, Arago (1786-1853) y Fresnel (1788-1817), a quienes ya hemos citado por sus grandes aportaciones sobre la difracción de la luz, estudiaron en detalle fenómenos que manifiesta la luz polarizada. Comprobaron que dos rayos polarizados ubicados en un mismo plano se interfieren, pero en cambio no lo hacen, si están polarizados entre sí, cuando se encuentran perpendicularmente.

  
     
 

 

Esto les indujo a pensar que en un rayo polarizado debe ocurrir algo en la dirección perpendicular a la de propagación. Supusieron que ese algo tiene que ser la propia vibración luminosa y en su modelo ondulatorio consideraron a la luz una onda transversal. En efecto, en una onda transversal no polarizada la vibración oscila en todas las direcciones perpendiculares a la dirección de propagación. Partiendo de ese estado, la onda se polariza si por algún motivo pasa a oscilar sólo en un determinado plano, al que se denomina plano de polarización.
 
     
 

 

En el clip de video adjunto se constata la polarización de la luz mediante una experiencia muy sencilla. Debajo de la caja de cartón se ha colocado una lámpara encendida y encima de ella hay dos láminas superpuestas que actúan como filtros polarizadores. En la posición de partida los planos de polarización de las dos láminas tienen la misma orientación. Después traspasarlas, la onda luminosa vibra en esa dirección coincidente. Cuando una de las láminas gira 90º,  los dos planos de polarización son perpendiculares entre sí y la luz no puede vibrar en ninguna dirección detrás de ellas.

Este clip se filmó en un curso de formación de profesorado sobre trabajos experimentales con sensores, que impartimos en junio de 2009. En este experimento los profesores usan un sensor de luz para registrar las variaciones de intensidad luminosa al ir girando uno de los filtros polarizadores.
 
     
 

Actualmente se dispone de muchas aplicaciones tecnológicas de la polarización de la luz. Una bien conocida son las gafas de cristal polarizado, cuya misión es eliminar buena parte de la luz reflejada que llega a nuestros ojos.  La luz solar ilumina los objetos que nos rodean y, después de ser reflejada por ellos, nos llega desde múltiples direcciones. Cuando procede de determinadas superficies planas (por ejemplo, en el mar, en la nieve, en el asfalto), nos puede deslumbrar, porque aporta un exceso de luz al ojo y quita visibilidad. Los cristales polarizados que tienen estas gafas actúan como filtros verticales. Así, bloquean la luz que llega en dirección horizontal y permiten el paso de la que llega en dirección vertical, que se aprovecha mejor para ver con claridad.

  
     
 

 

Otra aplicación tecnológica de la luz polarizada es el polariscopio, que, en el caso más simple, es un montaje que consta de dos filtros polarizadores cuyos centros ópticos se colocan perpendicularmente. Entre ambos filtros, se deja un espacio para poder intercalar entre ellos diversos objetos o materiales con objeto de analizarlos ópticamente. En ausencia de dichos materiales, la luz no atraviesa el instrumento, ya que el primer filtro polarizador sólo deja pasar las vibraciones luminosas que tienen lugar en una determinada dirección y el segundo sólo deja pasar las perpendiculares a ellas.

A la izquierda, la imagen de polariscopio antiguo, que se expone en el Museo da Metroloxia de Galicia; un museo virtual del Laboratorio de Oficial de Metrología de Galicia.
 
     
 

Pero, cuando entre los dos filtros polarizadores se coloca un medio cristalino (puede ser un cristal sólido o líquido), entonces se ve a través del polariscopio un patrón  de franjas de colores. Ello ocurre porque a atravesar el cristal, la luz que antes ha sido polarizada por el primer filtro, se desfasa, dependiendo la magnitud de dicho desfase de la longitud de onda (es decir, es diferente para cada color). Como consecuencia, las luces desfasadas sí pasan por el segundo polarizador. Como ejemplo de esto, en la imagen adjunta se muestra el patrón de franjas coloreadas observado a través de un polariscopio plano, al intercalar entre sus dos filtros polarizadores tres herramientas de dibujo de plástico superpuestas . El autor de la imagen es Héctor Navarro Fructuoso, que fue hace unos años, uno de nuestros mejores alumnos. Héctor realizó su tesis doctoral en la Universidad de Valencia sobre: "Captura y reproducción de imágenes 3D mediante sistemas de Imagen Integral" y trabaja en Munich en Huawei Technologies.

  

 
     
 

Todos los medios cristalinos presentan este fenómeno, excepto aquellos que cristalizan en el sistema regular, mientras carezcan de imperfecciones o no estén sometidos a tensiones. En esas condiciones son isótropos a la luz polarizada (o a la luz blanca), es decir, permiten el paso inalterado de la luz a su través, para cualquiera que sea la dirección de las vibraciones luminosas. Por este motivo, el polariscopio se utiliza para identificar tensiones en materiales de vidrio, de plástico, etc. El objeto a analizar (por ejemplo, en óptica las lentes, en automoción los cristales de un vehículo, etc.), se coloca entre los dos filtros polarizadores. Si padece tensiones significativas, éstas quedan reflejadas en el patrón de franjas observado y puede ser desechado por la industria.

  
     
 

 

En el clip de video adjunto se muestra un experimento muy sencillo que aplica estos conceptos. Entre dos pequeños filtros polarizadores, se ha intercalado un pedazo de celofán que tiene varios dobleces con diferentes espesores. El desfase que sufre la luz al atravesar el celofán depende de la frecuencia (del color) y del espesor de celofán, de modo que, en una determinada posición de los filtros polarizadores se observa un cierto mosaico de colores. Los colores visibles son los que deja pasar el segundo filtro para esa posición en cada zona de un espesor determinado. Partiendo de esta situación, vamos rotando uno de los filtros. Entonces, el color de cada pedazo de mosaico va variando, ya que el segundo filtro al ir girando empieza a bloquear determinadas luces que antes no bloqueaba y en otras zonas empieza a deja pasar luces que antes bloqueaba. Tras un giro de 90º los colores cambian a sus complementarios. El video pertenece a un trabajo monográfico presentado en 2015 por alumnos de 4º ESO.
 
     
 

Algunos artistas visuales contemporáneos, conociendo estas propiedades de la luz polarizada,  han trabajado con ella para crear imágenes vistosas y cambiantes. Se considera pionera a la artista Austine Wood Comarow, que ha expuesto trabajos de Polage art en el Museo de la Ciencia de Boston, en el Museo de Historia Natural y Ciencia de Nuevo México, en Albuquerque, y en la Ciudad de Ciencia y de Industria en París.

  

 
 
 
 
 

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