Birrefringencia

 Birrefringencia

1. Introducción

En el experimento de hoy, vamos a observar los efectos de la birrefringencia. Gracias a la luz polarizada, podremos determinar los puntos débiles de un material y mucho más.

2. Materiales

• Pantalla de ordenador
• Polarizador 
• Objetos de plástico transparente 

3. Procedimiento

Para observar el fenómeno, primero colocaremos el polarizador enfrente de la pantalla hasta que la luz ya no pase por él. Después, mirando a través del polarizador, sujetaremos los objetos de plástico enfrente nuestro, entre la pantalla y el polarizador. Si seguimos bien los pasos, observaremos como aparecen patrones de colores en los materiales.

Estos patrones de colores nos ayudan a entender qué estructura molecular tiene el material y, gracias a ellos, podemos determinar los puntos débiles del objeto (donde está en tensión). Estos puntos son donde los patrones de líneas de colores coinciden o salen, con algunos objetos es sencillo determinar estos puntos, ya que es muy obvio.

4. Conclusiones

Tras encontrar los puntos, se puede observar más de cerca el objeto y, a veces, se podrán ver imperfecciones en el mismo sitio o se podrán ver los puntos en donde inyectaron el plástico a la hora de fabricar el objeto.

También es interesante observar objetos flexibles a través del polarizador. Como los colores muestran los puntos de tensión acumulada, si estiramos el objeto o intentamos partirlo podremos observar como los colores aumentan de intensidad.

5. Explicación

Este fenómeno se relaciona directamente con la refracción de la luz en materiales, por lo tanto recomendamos leer nuestra entrada sobre el tema "Refracción de la luz" para entender la explicación.

- ¿Qué es un polarizador?

Un polarizador está hecho con alcohol polivinílico. Las láminas de este material se estiran de tal manera que se alineen las moléculas del material en una cierta dirección.

Al contrario que con el cristal, este se trata de un material conductivo, es decir, los electrones de las moléculas no están fuertemente sujetos a ellas y, por lo tanto, pueden absorber energía y "moverse". Esto significa que puede absorber energía de forma efectiva.

El polarizador bloquea toda la luz salvo en una dirección, ya que como las moléculas están alineadas, si los fotones entran orientados igual que ellas son absorbidos. Para entender esto, primero imaginaremos una molécula alargada, como un lápiz. Los electrones "orbitan" de una forma elíptica, suben y bajan mucho para pasar por los extremos del lápiz pero se mantienen cerca del centro cuando pasan por sus lados, este movimiento sería parecido al descrito en la imagen a la derecha.

Cuando la luz pasa por el material orientado igual que la molécula, es absorbida pues sus oscilaciones coinciden con el movimiento de los electrones, la energía del fotón se convierte en luz. En cambio, si pasa perpendicular a la molécula, la frecuencia del fotón no será absorbida por el electrón puesto que sus oscilaciones no coinciden. 

Este es el mimo principio que explicamos a la hora de entender la refracción de la luz. En esa entrada, mencionamos la frecuencia de las moléculas o electrones y decíamos que la luz, al pasar, inducia su frecuencia en la molécula, lo cual producía otra onda que al sumarse con la original provocaba un desfase diferente dependiendo del color del haz inicial. La diferencia con la explicación de la refracción de la luz, es que en vez de solo fijarnos en un eje en el que la molécula sube y baja "vibrando", como si solamente tomáramos dos puntos opuestos de la orbita, observamos el recorrido completo de los electrones que describen una elipse. Esto significa que en cuanto a la refracción, los colores se refractarían de distinta manera dependiendo de qué orientación tenga el haz inicial respecto a esta órbita. 

La pregunta que ahora te estarás haciendo es: "¿Por qué un cristal deja pasar la luz refractándola y en cambio un polarizador la absorbe totalmente si se trata del mismo principio?". Efectivamente, sí es el mismo principio, lo que cambia es el material. Como he mencionado el polarizador es un material conductivo, el cristal no lo es. Esto es fundamental puesto que significa que en el polarizador los electrones están "sueltos" y en el cristal están "sujetos", cuando pasa la luz por ambos materiales en el polarizador los electrones absorben la energía y se "mueven" (lo que seria subir de órbita), en el cristal los electrones estén "sujetos" y cuando pasa un haz de luz solo se mueven un poco, creando una onda parecida a la original la cual provoca la refracción. El cristal no es conductivo, es aislante, sólo cambia la velocidad de la luz. La conducción de los polarizadores en un eje es mucho mayor que en los demás ejes de conductividad anisotrópica. Los metales como el hierro, tienen conductividad isotrópica, absorben lo mismo en todas direcciones, por eso el hierro no es transparente. 

Por último, queda explicar por qué solo pasan fotones en una dirección. Esto se puede explicar de dos formas. Según la física clásica el haz de luz se describiría por dos vectores, siendo la suma de estos el haz original, uno de estos vectores se absorbería totalmente mientras que el otro pasaría sin más. La física clásica simplemente dividiría el haz en estas dos partes y al pasar por el polarizador tomaría solo la perpendicular al eje absorbido. En cambio, esta explicación tiene sus errores los cuales empiezan a surgir cuanto mas cerca miras. Al tener en cuanta los fotones individuales vemos que esta lógica ya no se aplica, puesto que los fotones son la unidad mínima de energía, no se pueden dividir en dos vectores más pequeños. Esta forma de pensar se estudia en la rama de la física cuántica. Esta forma de ver el problema explica que el fotón al llegar al polarizador pasa o no pasa, es decir, es cuestión de probabilidad, cuanto más perpendicular al eje de absorción, el porcentaje de pasar será mayor, hasta llegar al 100%, cuando el fotón entra paralelo al eje el porcentaje de que pase es 0%. Esta probabilidad es totalmente aleatoria, no se puede determinar si un fotón será absorbido o no hasta que se mide y entonces pasará con toda su energía o será absorbido totalmente.

¿Por qué se ven colores?

La explicación es parecida a la del polarizador pues la birrefringencia es básicamente un objeto que refracta de distinta manera dependiendo de cómo estén orientados (a orientados no me refiero al ángulo con el que entra en el objeto o ángulo de incidencia sino si la onda de luz es paralela o perpendicular, como con el polarizador)

Otro aspecto importante de comprender es que esto no es refracción, se ven distintos colores, pero no es por el grado de incidencia.

Para observar la birrefringencia primero usamos una pantalla LCD, este tipo de pantallas emiten luz polarizada (luz que solo oscila en un sentido). Esta luz entrará perpendicularmente en el objeto de plástico (para la explicación asumimos que es una figura sencilla como un cubo). 

Como con la refracción, la luz incidente "induce" su movimiento en las moléculas, esto crea una onda con amplitud mucho menor, pero misma frecuencia, que al sumarse con la onda original, crea un pequeño desfase. Si tenemos en cuenta todas las capas del material, vemos que la longitud de onda disminuye (la onda se comprime), al contrario que con la refracción como la luz incide a 90º con el material no se refracta, solo se "comprime" y vuelve a su estado original, pero con un desfase distinto al salir del material. Este cambio de fase es el que apreciamos como los colores.

Las diferencias surgen cuando rotamos la onda que entra en el material, como en los polarizadores las moléculas del plástico también son alargadas y sus electrones también forman una elipse, la única diferencia es que el plástico no es anisotrópico, no absorbe la energía, es aislante. 

A la derecha hay una imagen de una elipse cortada por varias rectas a distintos grados, Estas rectas representan 3 formas distintas que puede formar una onda de luz a la hora de entrar en el objeto (la elipse representa los electrones de la molécula), la onda que oscile a 90 grados, la verde y amarilla, se encontrará con una frecuencia en el material menor a la recta azul y roja, esto significa que la frecuencia del material cambia dependiendo del grado. En la entrada sobre la refracción de la luz explicamos que cuanto mas se parezca la frecuencia del material a la frecuencia de la luz mas será el desfase en una capa del material o mas se comprimirá dentro del material. Esto quiere decir que si entran 2 fotones con distinta orientación  y misma fase en un material al salir tendrán un desfase (el desfase no solo tiene que ver con la orientación si no también con la distancia recorrida dentro del material, es posible que al salir no cambie la fase pues ha retrocedido una longitud de onda entera).

En un bloque de plástico ideal las moléculas no están a lineadas, están desordenadas, esto quiere decir que una onda se desfasará de igual manera si entra a un cierto grado o a otro. Por lo tanto, al salir, todas las ondas se habrán desfasado lo mismo. En realidad los materiales de platico no son tan perfectos y dependiendo de cómo se hayan creado pueden tener puntos de mayor tensión. Cuando un plástico está en tensión, las moléculas que lo forman se alinean (se estiran), por lo tanto en zonas de tensión el desfase creado a un cierto grado de rotación será mucho mayor que otro.

Volviendo al caso inicial en el que alumbramos con luz polarizada en un sentido un objeto de plástico, como el objeto de plástico no es perfecto tendrá puntos en los que la luz se desfase mucho más o menos que en otros. Cuando una onda pasa por un punto de tensión para calcular bien qué es lo que le pasa convertiremos la onda en dos, una perpendicular a las moléculas y otra paralela a ellas (estas dos si se suman crean la inicial). La onda perpendicular a las moléculas será desfasada muy poco, casi 0, la onda paralela a la molécula se desfasará mucho, por lo tanto al salir del material la onda inicial será la suma de una onda en un sentido y otra a 90º con desfase distinto, al sumar estas dos el resultado es una onda polarizada circularmente o elípticamente, esta onda al llegar al polarizador por el que observamos solo deja pasar un poco de su energía.

Una onda polarizada circularmente nos la podemos imaginar como el vector del campo eléctrico girando a medida que avanza por el espacio. Si la diferencia de fases es de 90º, el resultado será una onda polarizada circularmente, si es mayor o menor será polarizada elípticamente. En la imagen de abajo de aprecia la suma de dos ondas oscilando perpendicularmente entre si con una diferencia de fases de 90º, el resultado se muestra a la derecha, una onda circularmente polarizada.

Una onda circularmente polarizada si se mira de frente se observa un circulo que tendrá de radio la mitad de la amplitud de las ondas iniciales. Una onda elípticamente polarizada como indica su nombre si se mira de frente se ve una elipse, la cual un eje será más que la mitad de amplitud de las ondas iniciales y el otro eje menos de la mitad de la amplitud de las ondas iniciales.

Si este tipo de ondas pasan por un polarizador este solo dejará pasar la luz que oscile en el sentido del polarizador, es decir, el corte que haga sobre la elipse o circulo la dirección del polarizador.

Entonces en puntos sin tensión el desfase es siempre igual, no se produce una onda circular o elípticamente polarizada y al llegar al polarizador se elimina totalmente. En cambio, en puntos con tensión, el desfase es distinto y se producen ondas circular o elípticamente polarizadas. Estas, al llegar al polarizador, dejan pasar una cantidad de luz distinta a la que el polarizador deja pasar en puntos normales. 

Los colores que se aprecian son debido a que la frecuencia de la onda afecta a su compresión en el material y por lo tanto a la diferencia de desfase cuando salen de él. Esto significa que un color puede estar más elípticamente polarizado que otro. Entonces al llegar al polarizador y descomponerse, nosotros sólo vemos el color dominante aunque el resto sigan allí.

5. Resultados