thumb|Polarización circular en hilo de goma, convertida a polarización lineal
La polarización electromagnética es una propiedad de las ondas que pueden oscilar con más de una orientación. Esto se refiere normalmente a las llamadas ondas transversales, en particular se suele hablar de las ondas electromagnéticas, aunque también se puede dar en ondas mecánicas transversales. Por otra parte, las ondas de sonido en un gas o líquido son ondas exclusivamente longitudinales en la que la oscilación va siempre en la dirección de la onda; por lo que no se habla de polarización en este tipo de ondas. Las ondas transversales que exhiben polarización incluyen ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio, ondas gravitacionales y ondas sonoras transversales (ondas de cizallamiento) en sólidos.
Una onda electromagnética como la luz consiste en un campo eléctrico oscilante acoplado y un campo magnético siempre perpendicular; por convención, la "polarización" de las ondas electromagnéticas se refiere a la dirección del campo eléctrico. En la polarización lineal, los campos oscilan en una sola dirección. En la polarización circular o elíptica, los campos giran a una velocidad constante en un plano a medida que la onda viaja. La rotación puede tener dos direcciones posibles; si los campos giran en un sentido de la mano derecha con respecto a la dirección del desplazamiento de la onda, se denomina polarización circular derecha, mientras que si los campos giran en un sentido de la mano izquierda, se denomina polarización circular izquierda.
La luz u otra radiación electromagnética de muchas fuentes, como el sol, las llamas y las lámparas incandescentes, consiste en trenes de onda corta con una mezcla igual de polarizaciones; esto se denomina luz no polarizada. La luz polarizada puede producirse al pasar luz no polarizada a través de un polarizador, lo que permite el paso de ondas de una sola polarización. Los materiales ópticos más comunes (como el vidrio) son isotrópicos y no afectan la polarización de la luz que pasa a través de ellos; sin embargo, algunos materiales (aquellos que exhiben birrefringencia, dicroísmo o actividad óptica) pueden cambiar la polarización de la luz. Algunos de ellos se utilizan para fabricar filtros polarizantes. La luz también está parcialmente polarizada cuando se refleja desde una superficie.
Según la mecánica cuántica, las ondas electromagnéticas también pueden verse como corrientes de partículas llamadas fotones. Cuando se ve de esta manera, la polarización de una onda electromagnética está determinada por una propiedad mecánica cuántica de los fotones llamada espin Un fotón tiene uno de dos posibles spins: puede girar en el sentido de la mano derecha o en el sentido de la mano izquierda sobre su dirección de viaje. Las ondas electromagnéticas de polarización circular están compuestas de fotones con un solo tipo de espín, ya sea a la derecha o a la izquierda. Las ondas polarizadas linealmente consisten en fotones que se encuentran en una superposición de estados polarizados circularmente a derecha e izquierda, con igual amplitud y fases sincronizadas para dar oscilación en un plano.
La polarización es un parámetro importante en áreas de la ciencia relacionadas con las ondas transversales, como la óptica, la sismología, la radio y las microondas. Se ven especialmente afectadas tecnologías como los láseres, las telecomunicaciones inalámbricas y de fibra óptica y los radares.
En una onda electromagnética, tanto el campo eléctrico y el campo magnético son oscilantes, pero en diferentes direcciones; ambas perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación de la onda; por convención, el plano de polarización de la luz se refiere a la polarización del campo eléctrico.
thumbnail|350px|Una onda electromagnética polarizada. Las oscilaciones del campo eléctrico solo se producen en el plano del tiempo, son perpendiculares a las oscilaciones del campo magnético, y ambas son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.
Campo eléctrico y campo magnético de una onda electromagnética
Una onda electromagnética es una onda transversal compuesta por un campo eléctrico y un campo magnético simultáneamente. Ambos campos oscilan perpendicularmente entre sí; las ecuaciones de Maxwell modelan este comportamiento.
Habitualmente se decide por convenio que para el estudio de la polarización electromagnética se atienda exclusivamente al campo eléctrico, ignorando el campo magnético, ya que el vector de campo magnético puede obtenerse a partir del vector de campo eléctrico, pues es perpendicular y proporcional a él.
Polarización de ondas planas Un ejemplo sencillo para visualizar la polarización es el de una onda plana, que es una buena aproximación de la mayoría de las ondas luminosas.
thumbnail|100px|Descomposición del vector de campo eléctrico en dos componentes. En un punto determinado la onda del campo eléctrico puede tener dos componentes vectoriales perpendiculares (transversales) a la dirección de propagación. Las dos componentes vectoriales transversales varían su amplitud con el tiempo, y la suma de ambas va trazando una figura geométrica. Si dicha figura es una recta, la polarización se denomina lineal; si es un círculo, la polarización es circular; y si es una elipse, la polarización es elíptica.
Si la onda electromagnética es una onda armónica simple, como en el caso de una luz monocromática, en que la amplitud del vector de campo eléctrico varía de manera sinusoidal, los dos componentes tienen exactamente la misma frecuencia. Sin embargo, estos componentes tienen otras dos características de definición que pueden ser diferentes. Primero, los dos componentes pueden no tener la misma amplitud. Segundo, los dos componentes pueden no tener la misma fase, es decir, pueden no alcanzar sus máximos y mínimos al mismo tiempo.
Tipos de polarización La forma trazada sobre un plano fijo por un vector de campo eléctrico de una onda plana que pasa sobre él es una curva de Lissajous y puede utilizarse para describir el tipo de polarización de la onda. Las siguientes figuras muestran algunos ejemplos de la variación del vector de campo eléctrico (azul) con el tiempo (el eje vertical), con sus componentes X e Y (roja/izquierda y verde/derecha), y la trayectoria trazada por la punta del vector en el plano (púrpura). Cada uno de los tres ejemplos corresponde a un tipo de polarización.
33px 96px 102pxcentro|100px|Diagrama de polarización linealcentro|100px|Diagrama de polarización circularcentro|100px|Diagrama de polarización elíptica Lineal Circular Elíptica
En la figura de la izquierda, la polarización es lineal y la oscilación del plano perpendicular a la dirección de propagación se produce a lo largo de una línea recta. Se puede representar cada oscilación descomponiéndola en dos ejes X y Y. La polarización lineal se produce cuando ambas componentes están en fase (con un ángulo de desfase nulo, cuando ambas componentes alcanzan sus máximos y mínimos simultáneamente) o en contrafase (con un ángulo de desfase de 180°, cuando cada una de las componentes alcanza sus máximos a la vez que la otra alcanza sus mínimos). La relación entre las amplitudes de ambas componentes determina la dirección de la oscilación, que es la dirección de la polarización lineal.
En la figura central, las dos componentes ortogonales tienen exactamente la misma amplitud y están desfasadas exactamente 90°. En este caso, una componente se anula cuando la otra componente alcanza su amplitud máxima o mínima. Existen dos relaciones posibles que satisfacen esta exigencia, de forma que la componente x puede estar 90° adelantada o retrasada respecto a la componente Y. El sentido (horario o antihorario) en el que gira el campo eléctrico depende de cuál de estas dos relaciones se dé. En este caso especial, la trayectoria trazada en el plano por la punta del vector de campo eléctrico tiene la forma de una circunferencia, por lo que en este caso se habla de polarización circular.
En la figura de la derecha, se representa la polarización elíptica. Este tipo de polarización corresponde a cualquier otro caso diferente a los anteriores, es decir, las dos componentes tienen distintas amplitudes y el ángulo de desfase entre ellas es diferente a 0° y a 180° (no están en fase ni en contrafase).
Cómo determinar la polarización de una onda plana Para averiguar el tipo de polarización de la onda, es necesario analizar el campo (eléctrico o magnético). El análisis se realizará para el campo eléctrico, pero es similar al del campo magnético.
Si el campo eléctrico es de la forma:
La amplitud de la onda, , va siempre en la dirección de polarización de la onda. Es por ello por lo que se hace necesario analizar para ver qué tipo de polarización se tiene.
Se puede descomponer como suma de un vector paralelo al plano de incidencia y otro vector perpendicular a dicho plano:
donde el símbolo || se usa para las componentes paralelas, mientras que es para las componentes perpendiculares. Los vectores u, son vectores unitarios en la dirección que indican sus subíndices (paralela o perpendicular al plano de incidencia).
thumbnail|600px|derecha|Representación de los casos de polarización elíptica: Polarización elíptica dextrógira (gira en sentido de las agujas del reloj) y Polarización elíptica levógira (gira en sentido contrario a las agujas del reloj).
Se realiza la diferencia y según el resultado se tendrá:
Polarización lineal si la diferencia es 0 o un múltiplo entero (positivo o negativo) de . Polarización circular si la diferencia es un múltiplo entero impar (positivo o negativo) de . En este caso se cumple, además, que . En el resto de casos se producirá polarización elíptica.
Es posible conocer, en el caso de polarización elíptica, el sentido de giro de la polarización de la onda. A partir de la diferencia anterior se puede obtener fácilmente:
Si se trata de polarización elíptica levógira o helicidad negativa. Si se trata de polarización elíptica dextrógira o helicidad positiva.
Radiación incoherente
En la naturaleza, la radiación electromagnética es producida a menudo por un gran conjunto de emisores individuales, cada uno de los cuales da lugar a un tren de ondas independiente. Este tipo de luz se llama incoherente. En general, no hay una única frecuencia sino un espectro de frecuencias y, aunque sea filtrado a una arbitraria y estrecha gama de frecuencias, puede no haber un estado constante y uniforme de polarización. Sin embargo, esto no significa que la polarización sea solamente una característica de la radiación coherente. La radiación incoherente puede demostrar la correlación estadística entre las componentes del campo eléctrico. Esta correlación se puede interpretar como polarización parcial. En general, se puede describir un campo ondulatorio como la suma de una parte totalmente incoherente (sin correlaciones) y de una parte totalmente polarizada. Entonces se puede describir la luz en términos del grado de polarización y los parámetros de la elipse de polarización.
Obtención de luz polarizada
Se explicarán brevemente algunos de los procedimientos experimentales que permiten la obtención de luz polarizada a partir de una emisión de luz natural. Para obtener luz polarizada linealmente se hace que el vector eléctrico vibre en un único plano (plano de polarización) de los que contienen la dirección de propagación.
Existen varios métodos para obtener luz polarizada: absorción selectiva, por reflexión, refracción y por difusión.
derecha|300px Polarización por absorción selectiva