Polarisatie: Van hersenspinsel tot wereldwijde toepassing

We weten niets zeker, maar alles waarschijnlijk

Als wetenschapper ben je zo gefocust op nieuwe dingen onderzoeken, dat je soms vergeet wat er allemaal aan je eigen onderzoek vooraf is gegaan. Dit merkte ik toen ik met de redacteur van het Klokhuis aan het praten was. Zij waren bezig met een aflevering over Christiaan Huygens, een bekende Nederlandse astronoom uit de 17e eeuw. Hij was de eerste die zijn gedachten over het bestaan van leven buiten onze aarde opschreef in zijn boek Cosmotheoros. Als hij toch ooit geweten had dat zijn ontdekking van de polarisatie eigenschap van licht ons zou helpen in de zoektocht naar buitenaards leven.

Als Nederlandse uitvinder, wis-, natuur- en sterrenkundige, was Huygens een van de belangrijkste wetenschappers in de zeventiende eeuw. Met zijn "Traite de la Lumiere" botste hij met zijn licht theorie met de hypothese van Isaac Newton. Newton beschreef het fenomeen licht als bewegende kleine deeltjes met hun eigen massa. Huygens was het hier niet mee eens. Hij beschreef licht als een lichtgolf. In de moderne natuurkunde beschrijven we licht door gebruik te maken van Huygens theorie. Daarnaast zeggen we ook dat licht bestaat uit kleine deeltjes (fotonen) die zich met de lichtsnelheid voortbewegen. Echter hebben deze geen massa.

Huygens is een belangrijke voorvader van mijn onderzoek. Naast de filosofische gedachte leven buiten de aarde was, beschreef hij de breking van licht in twee lichtbundels door gebruik te maken van een calciet kristal. Beide stralen die ontsnappen uit het kristal zijn linear gepolariseerd. Nu begrijp je wellicht wel waarom zijn theorieën essentieel zijn voor mijn onderzoek: De zoektocht leven op en buiten de aarde door gebruik te maken van de polarisatie van licht.

Polarisatie van licht als bekend begrip
Voor wetenschappers is het op dit moment gemakkelijk om het begrip 'polarisatie van licht' uit te leggen. Bijna iedereen maakt dagelijks gebruik van deze onzichtbare eigenschap van licht. De theorie en techniek zit namelijk verstopt in bijvoorbeeld gepolariseerde zonnebrillen en LCD schermen. Zelfs in het scherm van je smartphone. Dan kan het allemaal niet zo ingewikkeld zijn... toch?

Nou, als onderzoeker kan ik zeggen dat het erg moeilijk is om iets te beschrijven waarvan je nog niet weet wat het is. Daarom wil ik even terug duiken in de geschiedenis. Hoe zijn we van het ontdekken van de polarisatie van licht tot aan de toepassingen die ik in mijn leven als sterrenkundige dagelijks gebruik.

Van Huygens's ontdekking tot dunne polariserende platen • De geschiedenis van polarisatie begint eigenlijk al met Erasmus Bartholinus die in 1669 het natuurverschijnsel van de dubbele breking van licht waarnam in IJslandspaat. Bartholinus wist echter nog niets over het fenomeen van polarisatie.

Een kleine twintig jaar later maakte Christiaan Huygens fundamentele ontdekking van polarisatie. Met zijn golftheorie van licht beschreef hij het brekings natuurverschijnsel een ander materiaal dan Bartholinus, namelijk in calciet.

Het duurde nog tot 1808 dat Étienne Louis Malus ontdekte dat gereflecteerd licht gedeeltelijk gepolariseerd wordt. Zijn waarneming zorgde voor een beter inzicht in de voortplanting van licht. Malus was degene die het woord "polarisatie" voor licht introduceerde.

Een paar jaar later (1815) kwam Jean Baptiste Biot erachter dat toermalijn een gepolariseerde straal bijna volledig ongehinderd doorlaat en de andere straal absorbeert. David Brewster gebruikte als eerste de toermalijn als polarisatie analysator (1818) en ontwierp daarmee de toermalijntang. Het principe van het combineren van een enkele glasplaat en polarisator als analysator kwam bekend te staan onder de naam polariscope.
Aan het begin van de 20ste eeuw waren er vele verschillende polariscopen. Deze maakten allemaal gebruik van de Nicol-prisma als polarisatie analysator. Het Nicol-prisma bestaat uit twee afzonderlijk geslepen calcietprisma's die aan elkaar zijn gelijmd. Het prisma laat golven door die slechts in één richting trillen. Hierdoor produceert het een gepolariseerde straal.

In 1928 kwam Edwin H. Land met het idee om miljoenen microscopisch kleine herapathiet kristallen te combineren tot een dunne plaat. Dit gebeurde door kristallen fijn te malen en te mengen met een stroperig plastic. Het mengsel werd door een dunne spleet geduwd. De dunne en doorzichtige plaat werd door Land de Polaroid J-Sheet genoemd. Al gauw werd de uitvinding op grote schaal gebruikt in bijvoorbeeld polaroid zonnebrillen en autoruiten, filters voor fototoestellen en zelfs 3D films.

In de jaren 40 werden de sheets verbeterd door gebruik te maken van plastics die bestaat uit lange organische ketens (polymeren). Bij de productie worden de platen tegelijkertijd verwarmd en uitgerekt waardoor de polymeren parallel aan elkaar komen te liggen. Dit zorgt voor dat de moleculen een sterk dubbelbrekend effect veroorzaken. Daarnaast werd de plaat met deze techniek nog dunner. Verbeterde varianten van de sheets worden nu nog steeds gebruikt.

Vond je het leuk om op deze manier de geschiedenis van Huygens ontdekking tot dunne polariser platen te volgen? In mijn volgende blog zal ik een zelfde verhaallijn beschrijven, maar dan van de ontdekkingen van polarisatie in de sterrenkunde. Stay tuned!