قطبش نور چیست و چه اهمیتی دارد؟

مقدمه

نور از پدیده‌های فیزیکی است که از گذشته تاکنون بیشتر از هر پدیده دیگر مورد توجه بشر بوده است، به گونه‌ای که همواره تلاش کرده ماهیت آن را بداند. این تلاش‌ها تا پیش از پیدایش نظریه الکترومغناطیس در قرن نوزدهم میلادی بیشتر جنبه فلسفی داشت تا علمی. به‌گونه‌ای که نور را ارتعاش‌های محیطی به نام اتر می‌دانستند که هیچ شاهد علمی برای آن وجود نداشت! به دلیل انتشار راستخط نور طبیعی بود که آن را جریانی از ذرات ریز می‌دانستند و این همان نظریه‌ای بود که حتی دانشمند بزرگی همچون نیوتون آن را درست می‌پنداشت و از آن پشتیبانی می‌کرد. این نظریه به نور هندسی موسوم است. بیشتر پدیده‌های روزمره مانند تشکیل تصویر، قانون‌های بازتابش و شکست و غیره را با این نظریه می‌توان توضیح داد. اما حتی در قرن هفدهم دانشمندانی مانند هویگنس (1695 ـ 1629) نور را نوعی موج (مانند امواج روی آب) فرض می‌کردند و بر این اساس پدیده‌هایی مانند انتشار نور از یک روزنه را توضیح می‌دادند. در نظریه هویگنس هنگامی که موج نور به یک روزنه می‌رسد، هر نقطه در روی جبهه موج‌مانند چشمه‌ای نقطه‌ای رفتار می‌کند که امواج کروی ثانویه را به تمام فضای پشت روزنه می‌فرستد و در یک لحظه بعدی جبهه موج جدید سطحی خواهد بود که بر تمام این موج‌های ثانویه مماس باشد (شکل 1)

با تکمیل نظریه الکترومغناطیس توسط ماکسول (1831 ـ 1879) امواج الکترومغناطیسی به‌صورت میدان‌های الکتریکی E و مغناطیسی B عمود بر یکدیگر در نظر گرفته شدند که در یک صفحه با بسامد (تعداد نوسان‌ها در ثانیه با یکای هرتز) زیاد نوسان می‌کنند و در راستای عمود بر آن صفحه (راستای K) در فضا منتشر می‌شوند (شکل 2)، سپس معلوم شد که نور مرئی تنها بازه کوچکی (با بسامد حدود 1014 تا 1015 هرتز) از این امواج را تشکیل می‌دهد و گستره وسیعی از تابش‌های به ظاهر متفاوت، از امواج رادیویی گرفته تا ریزموج‌ها، امواج فروسرخ یا IR، نور مرئی، امواج فرابنفش یا UV، پرتوهای X و حتی تابش گاما همه و همه در اصل از جنس امواج الکترومغناطیسی هستند و تنها تفاوتشان بسامد آن‌هاست، به طوری که امواج رادیویی کمترین بسامد (در حد 105 هرتز) و تابش گاما بیشترین بسامد (در حد 1021 هرتز) را دارا هستند. بنابراین، نور نه‌تنها یک موج، بلکه نوع بسیار ویژه‌ای از آن یعنی یک موج الکترومغناطیسی است که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی نوسانی عمود بر هم آن در راستای عمود بر صفحه ارتعاش در فضا منتشر می‌شوند. چنین موجی را یک موج عرضی می‌نامیم. برخلاف آن‌ها در امواج طولی مانند صوت، کمیت موجی (ارتعاش‌های مکانیکی محیط) در همان راستایی که منتشر می‌شوند نوسان نیز می‌کنند. امواج الکترومغناطیسی، از جمله نور، برای انتشار خود به محیط مادی (چیزی که اتر نامیده می‌شد) نیاز ندارند و اصولاً وجود چنین ماده‌ای در پی آزمایش‌های مایکلسون و مورلی (1881) رد شد. البته در قرن بیستم پدیده‌های دیگری دیده شدند که نه‌تنها با نظریه نور هندسی، بلکه با نظریه موجی نور نیز قابل توضیح نبودند! معروف‌ترین آن‌ها تابش جسم سیاه و اثر فوتوالکتریک بودند که اولی توسط پلانک (1900) و دومی توسط اینشتین (1905) با یک مدل کوانتومی برای نور توضیح داده شدند و نظریه اپتیک کوانتومی و مفهوم فوتون به‌عنوان بسته انرژی نور متولد شد. بعدها در سال 1921 این کشف برای اینشتین جایزه نوبل فیزیک را به ارمغان آورد. در این نوشته به یک ویژگی نور می‌پردازیم که در مشاهده‌های روزمره کمتر به آن توجه می‌شود و تنها با مدل الکترومغناطیسی نور قابل توصیف است. این پدیده قطبش نور نامیده می‌شود و نوری را که داری چنین ویژگی باشد نور قطبیده می‌نامند.

نور قطبیده گرچه از دید انسان با نور ناقطبیده تفاوتی ندارد، اما به دلیل ماهیت متفاوت برهم‌کنش آن با ماده، دارای کاربردهای بسیار زیاد، از عینک‌های آفتابی گرفته تا خواندن و نوشتن اطلاعات روی دیسک‌های نوری است. متأسفانه در برنامه درسی در سطح پیش از دانشگاه به این ویژگی نور پرداخته نمی‌شود و حتی در سطح دانشگاهی نیز تنها در اندک رشته‌هایی مانند فیزیک و برخی رشته‌های فنی و مهندسی دانشجویان فرصت آشنایی با این پدیده مهم را دارا هستند.

نور قطبیده چیست؟

مفهوم قطبش نور و نور قطبیده در اصل بسیار ساده است و درک آن پیچیده نیست. همان‌طور که در شکل 2 دیده می‌شود، بردارهای میدان الکتریکی E و میدان مغناطیسی B در یک صفحه (صفحه ارتعاش) قرار دارند و همواره بر هم عمود هستند. اما راستای این دو بردار می‌تواند در صفحه ارتعاش ثابت نباشد، یعنی مانند آنچه در شکل 3 الف دیده می‌شود، در حالت کلی میدان الکتریکی می‌تواند در هر لحظه هر راستای دلخواهی داشته باشد و زمانی بعد در راستای دلخواه دیگری قرار بگیرد. اما همواره راستای میدان مغناطیسی عمود بر میدان الکتریکی قرار خواهد گرفت. از این‌رو در بحث پیرامون پدیده قطبش نیازی به بحث در مورد میدان مغناطیسی نور نیست، زیرا می‌دانیم همواره عمود بر میدان الکتریکی قرار دارد. چنین نوری که در آن زوج‌میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم راستای مشخصی ندارند و به‌طور کاتوره‌ای در صفحه ارتعاش جهت‌گیری می‌کنند نور ناقطبیده می‌نامند.

در حالت کلی دلیلی ندارد که این‌طور نباشد و از این‌رو نور ناقطبیده را نور طبیعی نیز می‌نامند، زیرا نوری که در طبیعت وجود دارد و از چشمه‌های نوری مانند خورشید و ستارگان دیگر گسیل می‌شود این‌گونه است. البته نور خورشید پس از پراکنده شدن در جو زمین تا حدی این ویژگی طبیعی خود را از دست می‌دهد. برعکس، اگر راستای میدان الکتریکی نور رفتار منظمی داشته باشد، یعنی راستای آن به‌طور دانسته شده‌ای در صفحه ارتعاش تغییر کند، آن را نور قطبیده و این پدیده را قطبش می‌گویند. در فیزیک نشان داده می‌شود که کلی‌ترین حالت قطبش آن است که مانند شکل 3 (ط) نوک بردار میدان الکتریکی نور در صفحه ارتعاش روی محیط یک بیضی بچرخد. این چرخش با همان بسامد نوسان نور، یعنی از مرتبه 1014 بار در ثانیه رخ می‌دهد و چیزی نیست که بتوان حرکت آن را به سادگی مشاهده یا ثبت کرد! از دید ناظری که نور به سمت او می‌آید نوک بردار میدان الکتریکی ممکن است در جهت ساعتگرد یا پادساعتگرد روی محیط یک بیضی بچرخد که به اولی نور قطبیده بیضوی راستگرد و به دومی نور قطبیده بیضوی چپگرد گفته می‌شود. فرایند تبدیل نور ناقطبیده به دلیل برهم‌‌کنش نور با ماده و در پدیده‌هایی مانند جذب گزینشی، ناهمسانگردی (ویژگی‌های متفاوت ماده در راستا‌های مختلف)، بازتاب نور از یک سطح، پراکندگی و غیره ممکن است رخ دهد که در این نوشته مجال پرداختن به آن‌ها نیست. نکته مهم آن است که حتی بردار میدان الکتریکی نور ناقطبیده را نیز می‌توان در صفحه ارتعاش به دو مؤلفه عمود بر هم در دو راستای مشخص، مانند x و y در شکل 3 تجزیه کرد (با راستاهای عمود بر هم میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی اشتباه نشود!) یک تیغه که از ماده ویژه‌ای ساخته شده باشد می‌تواند یکی از این دو مؤلفه (مثلاً مؤلفه y) را جذب و دیگری را از خود رد کند. در نتیجه نور خروجی دارای میدان الکتریکی خواهد بود که همواره در راستای محور x نوسان می‌کند و آن را نور قطبیده خطی می‌نامند، زیرا راستای قطبش دیگر بیضی نیست بلکه در راستای یک خط قرار دارد. به چنین تیغه‌ای نیز قطبشگر¹ گفته می‌شود. در بازتاب نور ناقطبیده خورشید از سطح دریا یا سایر سطوح صاف نیز ممکن است در زوایای فرود نزدیک به یک زاویه مشخص موسوم به زاویه بروستر² یکی از مؤلفه‌های میدان الکتریکی در نور بازتابیده تا حد زیادی از بین برود. در آن صورت نور بازتابیده‌ تا حد زیادی خطی قطبیده (در راستایی که از بین نرفته) خواهد شد. هنگامی که نور ناقطبیده خورشید از مولکول‌های هوا پراکنده می‌شود، نور پراکنده شده تا حدی خطی قطبیده است. این‌ها سازوکارهای تولید نور قطبیده هستند. یک حالت ویژه نور قطبیده بیضوی زمانی است که محورهای کوچک و بزرگ بیضی قطبش با هم برابر باشند. در این صورت بیضی قطبش به دایره‌ای تبدیل می‌شود و آن را نور دایره‌ای قطبیده (راستگرد یا چپگرد) می‌نامند.

کاربردهای نور قطبیده

از آنجا که چشم انسان تنها شدت نور دریافتی را حس می‌کند، نور ناقطبیده با نور قطبیده از نظر بینایی تفاوتی برای انسان ندارند. گرچه برخی موجودات دیگر، مانند حشرات و برخی از پرندگان به‌طور طبیعی قادر به درک حالت قطبش نور هستند و از آن به‌طور مثال، برای جهت‌یابی استفاده می‌کنند. اما همواره می‌توان با استفاده از ابزارهای نوری حساس به قطبش نور (مانند تیغه قطبشگر که در بخش پیش گفته شد) تغییرات قطبش را به تغییرات شدت تبدیل کرد که چشم بتواند آن‌ها را تشخیص دهد. تصور کنید که یک تیغه قطبشگر را در حالی‌که محور قطبنده (راستای عبور) آن در حالت عمودی است در مقابل نور بازتابیده از سطح دریا که قطبش خطی آن، به دلیل بازتابش از سطح دریا و ساحل، در صفحه افق قرار دارد در مقابل چشم خود بگیریم (شکل 4). بخش زیادی از شدت نور بازتابیده که به تیغه می‌رسد از آن رد نخواهد شد. و این تیغه، با آنکه در نور طبیعی جذب چندانی ندارد و تیره به نظر نمی‌رسد، می‌تواند به خوبی نور بازتابیده از سطوح افقی را حذف کند. عینک‌های آفتابی پولاروید بر همین اساس استوار هستند. یک جسم شفاف که در ساختار آن تنش‌های مکانیکی وجود دارد (مانند جلد یک CD، یا خط‌کش پلاستیکی شفاف) در مقابل نور ناقطبیده شفاف است و تفاوتی از نظر جذب نور در نواحی دارای شدت کم و زیاد در آن دیده نمی‌شود. اما اگر همین جسم را بین دو قطبشگر که راستاهای عبور آن‌ها عمود بر هم قرار داده شده قرار دهیم، نقش‌های زیبای رنگی دوبعدی در سطح جسم مشاهده خواهیم کرد (شکل 5) که در آن نواحی هم‌رنگ نشان‌دهنده مکان نقاطی است که از نظر میزان تنش مشابه هستند. به این پدیده اثر نور کشسانی³ می‌گویند که روش بسیار ساده‌ای برای دیدن نقشه دوبعدی تنش مکانیکی در اجسام شفاف فراهم می‌کند. یک کاربرد بسیار مهم دیگر استفاده از تغییر قطبش نور در بازتاب از سطحی است که دارای ویژگی مغناطیسی شده (اثر فاراده) در دیسک‌های نوری با استفاده از یک لیزر با توان مناسب که می‌تواند روی ناحیه بسیار کوچکی کانونی شود، اطلاعات به‌صورت نواحی با گشتاور مغناطیسی مختلف (مثلاً به سمت بالا یا پایین) روی سطح حساس دیسک ثبت می‌شود. سپس، در هنگام خواندن اطلاعات باریکه لیزر به این نواحی تابانده می‌شود و بسته به نوع گشتاور مغناطیسی آن‌ها، نور بازتابیده از هر ناحیه دارای حالت قطبش متفاوت می‌شود. به این روش می‌توان اطلاعات ثبت شده را بازخوانی کرد.

پی‌نوشت‌ها

1. Polarizer

2. Brewster angle

3. Photo elasticity