Breve historia sobre la luz polarizada y la óptica cristalina

(Por Oscar Piro y Alejandra Piro)

La historia sobre la luz polarizada comienza con un físico, médico y matemático Danés Erasmus Bartholinus (1625-1698) (primera imagen a la izquierda), quien en 1669 descubre el fenómeno de doble refracción en espato de Islandia (una variedad de la calcita) sin reparar por aquella época en el fenómeno asociado de polarización.

Christian Huygens (físico y astrónomo Holandés, 1629-1695) (imagen a la derecha) interpreta la doble refracción suponiendo que en el cristal, además de una onda primaria esférica, se propaga una onda secundaria elipsoidal. En el curso de esta investigación, Huygens realiza en 1690 un descubrimiento fundamental sobre la polarización: cada uno de los dos rayos que surgen en la refracción por calcita puede extinguirse haciéndolo pasar por un segundo cristal del mismo material, si este último es rotado alrededor de la dirección del rayo [1].

Isaac Newton (físico, astrónomo y matemático Inglés, 1642-1727)[[1]] propuso una explicación de este fenómeno suponiendo que los rayos son ‘transversales’. Basado en esta idea, Newton (creador de la teoría corpuscular de la luz) rechaza la teoría ondulatoria de la luz (propuesta por Robert Hooke, físico y químico Inglés, 1635-1703, y mejorada y extendida más tarde por Huygens), debido a que por aquél tiempo los científicos estaban familiarizados sólo con ondas longitudinales, tales como en la propagación del sonido.

Étienne L. Malus (ingeniero Francés, 1775-1812) (segunda imagen a la izquierda) descubre la polarización de la luz por reflexión [2], observando en 1808 mediante un cristal de calcita el reflejo de la luz directa del sol en el vidrio de una ventana. Encuentra que las dos imágenes obtenidas por doble refracción variaban en intensidad relativa cuando el cristal era rotado alrededor de la línea de visión. N.A: Posiblemente Malus observó la doble imagen de una marca sobre la cara del cristal de calcita que enfrentaba la ventana y era iluminada por la reflexión en la misma; en efecto, la separación entre las imágenes por doble refracción en un cristal de calcita es de sólo 1mm por cada 10 mm de espesor, por lo que objetos distantes no se perciben como imágenes dobles separadas cuando vistos a través del cristal. Sin embargo, Malus no intentó la interpretación del fenómeno, formulando en cambio la ley que lleva su nombre. La misma establece que la intensidad de la luz transmitida por el polarizador es proporcional al cuadrado del coseno del ángulo que subtiende la dirección de polarización de la luz con el eje de transmisión. A pesar de ser el primero en mencionar el término ‘polarización’, sin embargo su explicación del fenómeno en términos de la teoría corpuscular prevaleciente por aquél entonces resultó equivocada.

En 1809 Dominique F. J. Arago (físico y astrónomo Francés, 1786-1853) descubre que la luz solar dispersada por un cielo azul claro está polarizada [3]. Más tarde establece que dicha polarización celestial es máxima cuando el ángulo Sol-punto del cielo observado-observador es 90º.

En 1815 Jean B. Biot (físico Francés, 1774-1862) descubre el fuerte dicroísmo presente en cristales de turmalina. Ese mismo año, David Brewster (físico Escocés, 1781-1868) establece la ley relacionando el índice de refracción de un medio con el ángulo de incidencia de la luz sobre el mismo que produce un haz reflejado totalmente polarizado linealmente. Previamente, sin embargo, Malus fue el primero en reconocer en 1810 la existencia de ese ángulo (ahora llamado ‘de Brewster’) en la reflexión de luz sobre la superficie del agua.

Junto con Arago, Augustin J. Fresnel (físico e ingeniero Francés, 1788-1827) investigó la interferencia de rayos de luz polarizada para encontrar en 1816 que dos rayos polarizados en direcciones perpendiculares nunca interfieren entre si [4]. Esta observación es irreconciliable con la hipótesis de ondas de luz longitudinales que hasta ese entonces era generalmente aceptada por la comunidad científica.

Thomas Young (físico y médico Inglés, 1773-1829), enterado de los resultados de Arago, encuentra en 1817 la solución al problema descubriendo una propiedad clave: las vibraciones de la luz son transversales.

En 1828 William Nicol (físico Escocés, 1768-1851) inventa el prisma que lleva su nombre. Inicialmente construido de calcita, fue el primer filtro polarizador de uso práctico y facilitó el avance de las investigaciones con luz polarizada.

Empleando la hipótesis incorrecta del éter como sustrato de vibraciones de ondas de luz [5], en 1832 y durante el período 1866-1870, Fresnel deduce las leyes que llevan su nombre y gobiernan la intensidad y polarización de la luz reflejada y refractada en medios ópticos.

En 1844 Wilhelm K. von Haidinger (físico, geólogo y minerólogo, 1795-1871) descubre que el ojo humano posee una capacidad marginal de percibir la dirección de oscilación de luz polarizada linealmente (‘pinceles de Haidinger’) [6].

En 1845 Michael Faraday (físico y químico Inglés, 1791-1867) descubre la rotación del plano de polarización de la luz en presencia de un campo magnético, indicando de este modo la existencia de una estrecha relación entre los fenómenos ópticos y electromagnéticos, disciplinas de la Física que históricamente venían desarrollándose separadamente.

En 1852 Williams B. Herapath (químico y médico Inglés, 1820-1868) prepara cristales sintéticos (una combinación de iodo y quinina) que presentan fuerte dicroísmo y propiedades ópticas similares a la turmalina. Más tarde, este logro fue la base de la manufactura de láminas polarizadoras cuya facilidad de uso y bajo costo favoreció enormemente el estudio y empleo de luz polarizada. En el mismo año George Gabriel Stokes (físico Irlandés, 1819- 1903) introduce los cuatro parámetros (de Stokes) que caracterizan completamente un estado de polarización arbitraria de la luz [7].

En 1869 John Tyndall (físico Irlandés, 1820-1893) establece el hecho que la polarización de la luz dispersada por partículas cambia fuertemente con las dimensiones de las mismas, explicando de esa manera observaciones previas en partículas de humo.

En 1871 John W. Strutt, alias Lord Rayleigh (físico Inglés, 1842-1919) explica teóricamente la polarización de la luz celestial dispersada [8].

En 1873, de acuerdo a consideraciones teóricas basadas en las ahora llamadas ‘Ecuaciones de Maxwell’ (que completan la unificación de los fenómenos eléctricos y magnéticos estudiados durante 25 siglos), James C. Maxwell (físico Escocés, 1831-1879) propone que la luz es una onda electromagnética [9]. Esta unificación de la Óptica y el Electromagnetismo constituye uno de los mayores triunfos de la Física en el entendimiento de la Naturaleza.

En 1875 John Kerr (físico Escocés, 1824-1907) descubre la inducción de birrefringencia en medios ópticos isotrópicos cuando son sometidos a la acción de campos eléctricos (‘efecto Kerr’). Más tarde, observa cambios en la reflexión metálica de luz polarizada en presencia de campos magnéticos (‘efecto Kerr magneto-óptico’).

En 1888 Heinrich Hertz (físico Alemán, 1857-1894) verifica mediante experimentos directos que la luz es, en efecto, una onda electromagnética [10].

Durante el período 1908-1915, Gustav Mie (físico Alemán, 1868-1957), Peter Debye (físicoquímico Holandés-Estadounidense, 1884-1966) y Ricardo M. Gans (físico Alemán- Argentino, 1880-1954) desarrollaron independientemente la teoría de dispersión de la luz por partículas de forma y tamaño arbitrario.

En 1912, inspirado por una conversación con Paul P. Ewald (físico Alemán, 1888-1985) sobre óptica cristalina, Max von Laue (físico Alemán, 1879-1960) concibe la idea que un cristal podría actuar como una red de difracción 3D de rayos-X. Laue pone a prueba exitosamente esta idea con la ayuda experimental de Walter Friedrich (físico Alemán, 1883- 1968) y Paul Knipping (físico Alemán, 1883-1935) originando una nueva rama de la Física [11]. Los resultados resolvieron dos cuestiones fundamentales de la época, esto es, ¿son los rayos-X radiación electromagnética (luz) de longitud de onda extremadamente corta? Y también, ¿son los cristales arreglos espaciales periódicos? La respuesta afirmativa a ambas cuestiones fue inmediatamente seguida en 1913 por la instrumentación y re-interpretación del fenómeno por William H. Bragg (físico Inglés, 1862-1942) y su hijo William L. Bragg (físico Inglés, 1890-1971), quienes iniciaron el desarrollo de la cristalografía estructural [12,13]. Esta metodología no sólo identifica la característica de birrefringencia óptica de los cristales (uniaxial, biaxial) a través de la determinación del sistema cristalográfico sino que además, al proveer la estructura molecular detallada del sólido, permite racionalizar la propagación de la luz por su interior.

En 1928 Edwin H. Land (físico Estadounidense, 1909-1991) construye su primera lámina de polarizador lineal dicroico [14].

En 1939 los físicos alemanes Y. LeGrand French y K. Kalle reportan independientemente que la luz dispersada bajo el agua está polarizada linealmente [15].

En 1949 Karl von Frisch (zoólogo Austríaco, 1886-1982) descubre la capacidad de las abejas para detector luz polarizada [16].

En 1950 Subrahmanyan Chandrasekhar (físico y astrónomo Indio-Estadounidense, 1910- 1995) provee una solución a la transferencia radiante en un modelo plano-paralelo de atmosfera iluminada por el Sol, empleando la dispersión Rayleigh [17]. En 1960 los cálculos basados en la solución fueron convenientemente tabulados por K. L. Coulson, J. V. Dave y Z. Sekera [18].

En 1955 William A. Shurcliff (físico Estadounidense, 1909-2006) descubre que el ojo humano también posee una capacidad marginal de percibir luz circularmente polarizada (‘pinceles de Shurcliff’) [19].

En 1988 Kinsell L. Coulson (meteorólogo Estadounidense, 1916-1999) publica una completa monografía sobre polarización e intensidad de la luz dispersada por la atmosfera [20].

Referencias

[1] Huygens C (1690), Traité de la lumiére. Leyden (completada en 1678, publicada en 1690)

[2] Malus ÉL (1809), Sur une propriété de la lumiére réfléctie par les corps diaphanes. Nouveau Bull d Sci, par la Soc Philomatique (Paris) 1, 266-269; Mém de la Soc d'Arcueil 2.

[3] Barral MJA (1858), Oeuvres de Francois Arago I-V., Gide - Paris, Weigel - Leipzig

[4] Fresnel AJ (1866-1870), Oeuvres Complétes d'Augustin Fresnel (Paris) 1, p. 767.

[5] René Descartes (científico Francés, 1596-1650) consideraba que la luz era esencialmente una presión transmitida a través de un medio sólido elástico perfecto, llamado ‘éter’ que llenaba todo el espacio. Por aquél tiempo, los científicos trataban de explicar todos los fenómenos naturales mediante leys mecánicas: la luz era considerada como rápidas vibraciones de partículas etéreas. A pesar de enfrentar muchas dificultades, la teoría del éter persistió por largo tiempo y la mayor parte de los grandes físicos del siglo XIX contribuyeron a su desarrollo.

[6] Haidinger W (1844), Über das direkte Erkennen des polarisierten Lichts und der Lage der Polarisationsebene. Annal Phys (Leipzig) 63, 29-39.

[7] Stokes GG (1852), On the composition and resolution of streams of polarized light from different sources. Trans Cambr Phil Soc 9, 233-258.

[8] Strutt JW (Lord Rayleigh) (1871), On the light from the sky, its polarisation and colour. Phil Magaz 41, 107-120, 274-279.

[9] Maxwell JC (1873), A treatise on electricity and magnetism. Oxford, 2 vols. (1974), 781-793.

[10] Hertz H (1888), Wiedem Ann 34, p. 551 (Traducido al inglés en su Electric Waves, 1893, Macmillan, London, p. 107).

[11] Friedrich W, Knipping P, Laue M von (1912), Interferenz-Erscheinungen bei Röntgenstrahlen. Sitzungsber. K. Bayer. Akad. Wiss. 303-322.

[12] Bragg WL (1913), The Structure of Some Crystals as Indicated by Their Diffraction of X-rays. Proc. Roy. Soc. A89, 248-277.

[13] Bragg WH (1914), The X-ray spectrometer. Nature 94, Issue 2347, 199-200.

[14] Land EH (1951), Some aspects of the development of sheet polarizers. J Opt Soc Am 41, 957-963.

[15] LeGrand Y (1939), Ann Inst Océanolog Monaco 19, p. 393; Kalle K (1939), Die Farbe des Meeres. Rapports et procès-verbaux des Reunions. Conseil permanent international pour exploration de la mer 109(3), 98-105 [Referido por Waterman TH (1954), Polarization patterns in submarine illumination. Science 120, 927-932].

[16] Frisch K von (1949), Die Polarisation des Himmelslichtes als orientierender Faktor bei den Tänzen der Bienen. Experientia 5, 142-148.

[17] Chandrasekhar S (1950), Radiative transfer. Clarendon Press, Oxford

[18] Coulson KL, Dave JV, Sekera Z (1960), Tables related to radiation emerging from a planetary atmosphere with Rayleigh scattering. Univ. California Press, Berkeley Los Angeles.

[19] Shurcliff WA (1955), Haidinger's brushes and circularly polarized light. J Opt Soc Am 45, 399.

[20] Coulson KL (1988), Polarization and intensity of light in the atmosphere. A Deepak Publishing, Hampton, Virginia, USA.