Faccio una breve premessa sulla polarizzazione della luce.

La polarizzazione della luce è data dalla direzione in cui oscilla il campo elettrico dell'onda elettromagnetica. Il campo elettrico deve per forza essere perpendicolare alla direzione in cui si sta muovendo l'onda (le onde elettromagnetiche sono infatti trasversali), per cui le direzioni possibili del campo sono tutte quelle appartenenti al piano ortogonale a tale direzione di propagazione.

Come per tutti i vettori appartenenti a un piano, il campo elettrico può essere scomposto nella somma di due componenti ortogonali, per cui a volte si dice che le polarizzazioni possibili della luce sono solo due (in realtà due sono le polarizzazioni linearmente indipendenti, e tutte le altre infinite polarizzazioni possibili possono essere sempre scritte come combinazione lineare di queste). Per capire come si comporta la polarizzazione della luce in generale basta quindi capire come si comporta ciascuna di queste due polarizzazioni ortogonali.

La luce può anche essere non polarizzata, che in realtà significa che la polarizzazione varia molto rapidamente nel tempo in modo casuale. La luce solare diretta e quella delle normali lampadine è non polarizzata. Anche un fascio di luce non polarizzato può essere considerato come la sovrapposizione di due fasci di luce polarizzati in direzioni ortogonali (ma in questo caso i due fasci di luce sono incoerenti tra loro, mentre nel caso di luce polarizzata i due fasci corrispondenti alle polarizzazioni ortogonali sono coerenti).

Un problema interessante è quello di ottenere luce polarizzata a partire da luce non polarizzata, come quella solare o quella di una lampadina. La soluzione di questo problema consiste in generale nel filtrare la luce non polarizzata eliminando la polarizzazione indesiderata e lasciando passare solo quella desiderata, ortogonale alla prima. Questo filtraggio può essere realizzato in vari modi. Due metodi possibili sono la polarizzazione per riflessione e l'uso di un polarizzatore basato sul dicroismo, che ora spiegherò.

Polarizzazione per riflessione

Quando un fascio di luce incide su una superficie piana di un materiale e viene riflesso, la polarizzazione della luce riflessa può essere diversa da quella della luce incidente. Per capire quello che succede conviene considerare cosa succede a due particolari polarizzazioni ortogonali per le quali il fenomeno della riflessione è più semplice. Queste due polarizzazioni sono dette (i) polarizzazione S, in cui il campo elettrico è parallelo alla superficie (e quindi ortogonale al piano di incidenza) e (ii) polarizzazione P, ortogonale alla precedente e alla direzione di propagazione (quindi appartenente al piano di incidenza).

Sia la polarizzazione S che la polarizzazione P hanno la particolarità che la riflessione non le cambia, ossia la luce riflessa ha la stessa polarizzazione di quella incidente.

L'intensità della luce riflessa è però diversa e sempre minore di quella incidente. Il rapporto dell'intensità della luce riflessa su quella incidente è detto coefficiente di riflessione R, e questo può essere diverso per la luce polarizzata S e per quella polarizzata P. In particolare la riflessione della luce polarizzata P ha un'altra proprietà importante: la luce riflessa si annulla completamente per un certo particolare angolo di incidenza, detto angolo di Brewster, dal nome dello scopritore di questo fenomeno. Cioè per questo particolare angolo si ha che il coefficiente di riflessione, come funzione della polarizzazione P, si annulla: R (P) = 0. In corrispondenza dello stesso valore angolare, invece, la luce polarizzata di tipo S viene riflessa in parte, cioè R (S) non si annulla.

Ne consegue che quando la luce non polarizzata viene riflessa secondo l'angolo di Brewster, la componente P viene eliminata mentre quella S sopravvive. Cioè la riflessione agisce come un filtro per la polarizzazione. Quindi la luce riflessa diventa polarizzata (purtroppo viene anche attenuata) e la sua polarizzazione finale è quella S, ossia il campo elettrico oscilla parallelamente alla superficie su cui la luce è stata riflessa.

L'angolo di Brewster dipende dall'indice di rifrazione n del mezzo su cui avviene la riflessione (assumendo che la luce provenga dall'aria) ed è dato dall'arcotangente di n. Perciò la riflessione su un vetro di indice 1.5 ha un angolo di Brewster pari a 56° circa. La riflessione sull'acqua, di indice 1.3, ha un angolo di Brewster pari a 52°. Invece i metalli e altri materiali che riflettono quasi tutta la luce incidente non presentano un angolo di Brewster e non possono essere usati per polarizzare la luce.

Dicroismo

Alcuni materiali, detti dicroici, hanno la proprietà di assorbire la luce in misura differente a seconda della sua polarizzazione. Tra i materiali più comuni con questa proprietà c'è il cosiddetto polaroid (dal nome della marca produttrice), che è una plastica composta da molecole filiformi (polimeri) che si dispongono tutte allungate e parallele tra loro. La luce viene assorbita molto di più se la sua polarizzazione (ossia il campo elettrico) è parallelo alle molecole e molto di meno se è perpendicolare. Questo permette di usare un foglio di polaroid come filtro polarizzatore, ossia per eliminare la polarizzazione indesiderata e lasciar passare quella desiderata (anche se con attenuazione, dovuta all'assorbimento).

Questo consente per esempio di rendere polarizzata la luce non polarizzata del Sole o delle lampadine.

Gli occhiali scuri di tipo polaroid sono composti appunto di plastica polaroid, ossia dicroica. Le molecole degli occhiali sono orientate in modo orizzontale, quando gli occhiali sono indossati normalmente. Questo fa sì che la luce polarizzata orizzontalmente venga assorbita molto di più di quella polarizzata verticalmente. Ma perché si fa questo? La luce solare diretta non è polarizzata, per cui non c'è un particolare vantaggio a eliminare una polarizzazione piuttosto che l'altra.

Il fatto è che normalmente noi non guardiamo il Sole direttamente (che può far male), mentre i nostri occhi sono investiti continuamente dalla luce solare riflessa dagli oggetti intorno a noi. La riflessione non avviene proprio all'angolo di Brewster, per cui anche la luce riflessa non è polarizzata. Tuttavia, la polarizzazione P è riflessa sempre meno di quella S, per cui mediamente la luce riflessa è polarizzata più S che P (si dice che è "parzialmente polarizzata"). Perciò gli occhiali polaroid eliminano meglio questa luce riflessa che può essere particolarmente fastidiosa, soprattutto se siamo di fronte a una superficie abbastanza piana e speculare, come l'acqua (se si sta in barca) o una strada (mentre si guida) o sulla neve.