Как определить степень поляризации света

Содержание
  1. 3. Поляризация света. Оптика. Физика. Курс лекций
  2. 3.1. Поляризованный и естественный свет
  3. 3.2. Закон Малюса
  4. 3.3. Поляризация при отражении от диэлектриков. Закон Брюстера
  5. 3.4. Двойное лучепреломление
  6. 3.5. Искусственная оптическая анизотропия
  7. 3.6. Вращение плоскости поляризации
  8. Поляризация света
  9. Виды поляризации света
  10. Степень поляризации частично поляризованного света: определение, описание и формула
  11. Способность видеть и свет
  12. Свет – это волна
  13. Время процессов
  14. Виды поляризованного света
  15. Частично поляризованный свет
  16. Может ли естественный свет быть поляризованным?
  17. Почему свет поляризуется?
  18. Как определить степень поляризации света
  19. Поляризация света
  20. Получение поляризованного света
  21. Частично поляризованные свет
  22. Эквивалентная степень линейной поляризации
  23. Определение степени поляризации света
  24. Теоретические положения

3. Поляризация света. Оптика. Физика. Курс лекций

Как определить степень поляризации света

3.1. Поляризованный и естественный свет

3.2. Закон Малюса

3.3. Поляризация при отражении от диэлектриков. Закон Брюстера

3.4. Двойное лучепреломления

3.5. Искусственная оптическая анизотропия

3.6. Вращение плоскости поляризации

3.1. Поляризованный и естественный свет

Из теории Максвелла следует, что свет является поперечной электромагнитной волной. Вектор напряжённости электрического поля (электрический или световой вектор) и вектор напряжённости магнитного поля (магнитный вектор) в световой волне колеблется в направлении перпендикулярном скорости распространения волны.

Линейно поляризованной волной называется волна, вектор которой не изменяют направление колебаний в пространстве.

Уравнение плоской монохроматической линейно-поляризованной волны, распространяющейся в направлении оси ОХ:

,

где ω – циклическая частота, — волновое число, υ – скорость распространения волны.

В каждой точке электромагнитного поля электрический вектор совершает гармонические колебания в плоскости XOY, которая называется плоскостью колебания.

Магнитный вектор колеблется в плоскости XOZ – в плоскости поляризации.

Световая волна со всевозможными одинаково вероятными направлениями колебаний электрического и магнитного векторов называется естественным светом.

В естественном свете плоскости поляризации меняют ориентацию в пространстве с течением времени.

Естественный свет можно представить в виде суперпозиции двух волн, которые поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Запишем уравнение естественного света только для электрического вектора волны:

;

,

где Ey, Ez – проекции электрического вектора на оси координат, α – сдвиг по фазе между колебаниями по Y и Z. Для естественного света Eoy=Eoz.

Частично поляризованным называется свет, если в нём есть преимущественное направление колебаний вектора

(Eoy>>Eoz) или (Eoz>>Eoy).

Частично поляризованный свет можно рассматривать как смесь одновременно распространяющихся в одном и том же направлении естественного и линейно поляризованного.

Поляризацией света называется выделение линейно поляризованного света естественного или частично поляризованного. Для этой цели используются специальные устройства, называемые поляризаторами.

Для определения характера и степени поляризации используют устройства, называемые анализаторами.

Поляризатор можно использовать в качестве анализатора.

Анализатор или поляризатор условно изображают в виде решётки, “прутья” которой параллельны направлению колебаний вектора в проходящем сквозь неё свете.

Если на такую решётку-анализатор падает естественный свет, то интенсивность проходящей волны не изменяется при вращении анализатора вокруг направления падающего луча вследствие того, что в естественном свете ни одно из направлений плоскости поляризации (плоскости колебаний) не является преобладающим.

,

где I0 – интенсивность падающего естественного света,

k – коэффициент прозрачности анализатора,

IА – интенсивность проходящего света.

На выходе из анализатора-поляризатора имеем линейно поляризованную волну.

Если падающий свет частично поляризован, то IA при вращении анализатора изменяется в зависимости от ориентации его главной плоскости (т.е. направления прутьев) по отношению к преимущественному направлению колебаний вектора в падающем свете.

3.2. Закон Малюса

Пусть на анализатор падает линейно поляризованный свет интенсивностью I0. Оптическая ось анализатора О-О` (направление прутьев).

Определим интенсивность прошедшей волны в точке А, если анализатор повернуть на угол α вокруг направления распространения луча. Через анализатор пройдёт электрический вектор, величина . Т.к. интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды, то — это и есть закон Малюса.

3.3. Поляризация при отражении от диэлектриков. Закон Брюстера

Направим на границу раздела двух диэлектриков (воздух, стекло) тонкий луч естественного света.

Часть световой волны отражается, а часть преломляется, распространяясь во второй среде. На рисунке: φ – угол падения луча, β – угол преломления, n2 – показатель преломления стекла, n1 — показатель преломления воздуха, n1=1.

Если на пути отражённого и преломлённого луча поставить анализатор, то можно исследовать поляризацию при отражении и преломлении.

Оказалось, что в общем случае отражённый и преломлённый лучи поляризованы частично. При некотором строго определённом для данной пары сред (диэлектриков) значение угла падения отражённый свет оказывается линейно поляризованным. Угол падения в этом случае называется углом Брюстера (φБ) или углом полной поляризации и определяется законом Брюстера:

,

где n21 – относительный показатель преломления среды.

3.4. Двойное лучепреломление

В оптически анизотронных кристаллах наблюдается явление двойного лучепреломления, которое состоит в том, что луч света падающий на поверхность кристалла, раздваивается на два преломлённых луча.

MN – оптическая ось кристалла.

Оптическая ось кристалла – направление в оптически анизотронном кристалле, вдоль которого свет распространяется, не испытывая двойного лучепреломления. Главной плоскостью или главным сечением одностороннего кристалла называется плоскость, проходящая через падающий луч и пересекающую его оптическую ось.

В одноосном кристалле один из преломлённых лучей подчиняется обычным законом преломления света. Этот луч лежит в плоскости падения. Волну, распространяющуюся вдоль направления этого луча, называют обыкновенной волной и обозначают буквой О. Показатель преломления для этой волны n0.

Вдоль второго луча распространяется необыкновенная волна. Показатель преломления луча для неё nе. угол преломления для необыкновенного луча зависит от того, как ориентирована поверхность пластинки по отношению к оптической оси кристалла MN. Угол преломления равен нулю в двух случаях:

а) если поверхность пластинки перпендикулярна к оптической оси (свет распространяется вдоль оптической оси, не испытывая двойного лучепреломления).

б) если поверхность пластинки параллельна оптической оси (свет распространяется в пластинке перпендикулярно оптической оси).

Двойное лучепреломление можно объяснить тем, что падающая на оптически анизотронный кристалл световая волна возбуждает две волны, распространяющиеся в кристалле эти по разным направлениям. В однослойном кристалле эти волны называются обыкновенными и необыкновенными волнами. Обыкновенные и необыкновенные волны линейно поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях.

В обыкновенной волне вектор направлен перпендикулярно к главной плоскости кристалла. Электрический вектор необыкновенной волны лежит в главной плоскости кристалла.

Направления векторов в обыкновенных и необыкновенных волнах условно показаны на рисунке точками на обыкновенном луче и поперечными чёрточками на необыкновенном.

Предполагается, что оба луча и пересекающая их оптическая ось MN кристалла лежат в плоскости рисунка.

3.5. Искусственная оптическая анизотропия

1. Оптически изотропное прозрачное вещество становится анизотропным, если его подвергнуть механической деформации.

Это явление называется фотоупругостью, при одностороннем растяжении или сжатии изотропного тела вдоль оси OX оно приобретёт оптические свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого параллельна ОХ .

Разность показателей преломления обыкновенного (no) и необыкновенного (nе) лучей в направлении перпендикулярном оси ОХ, пропорциональна нормальному напряжению .

n0-nе=к

где к- коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества.

2. Эффектом Керра называется возникновение оптической неоднородности у прозрачного изотропного диэлектрика, если его поместить во внешнее электрическое поле.

Под действием поля диэлектрик поляризуется и приобретает оптические свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает по направлению с вектором напряженности внешнего поля.

Разность показателей преломления поляризованного диэлектрика для необыкновенного и обыкновенного лучей монохроматического света, распространяющегося перпендикулярно направлению вектора Е, удовлетворяет закону Керра.

nе-n0=Bв

где -длина волны в вакууме, Вв-постоянная Керра.

3. Эффектом Коттона-Мутона называется возникновение оптической анизотропии у некоторых изотропных вещество при помещении их в сильное внешнее магнитное поле.

В однородном магнитном поле вещество преображает оптические свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает по направлению с вектором напряженности внешнего поля.

Разность показателей преломления вещества для необыкновенного и обыкновенного лучей монохроматического света при его распространении в направлении перпендикулярном вектору , пропорциональна .

с- постоянная Коттона — Мутона, -длина волны в вакууме.

3.6. Вращение плоскости поляризации

При прохождении линейно поляризованного света через некоторые вещества, называемые оптически активными, плоскость поляризации света поворачивается вокруг направления распространения луча.

Оптически активны некоторые кристалла (кварц, киноварь и др.) чистые жидкости и растворы (скипидар, раствор сахара в воде и др.)

В оптически активных кристаллах и чистых жидкостях угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине слоя вещества, через который проходит свет:

Коэффициент пропорциональности называется удельным вращением, или постоянной вращения.

Угол поворота плоскости поляризации при прохождении света пути в оптически активном растворе равен

С — объемно-массовая концентрация оптически активного вещества в растворе, D- плотность раствора, к=С/D- долевая концентрация по массе, — удельная вращения, зависит от природы оптически активного вещества.

Оптически неактивная среда под действием внешнего магнитного поля приобретает способность вращать плоскость поляризации света, распространяющегося вдоль направления поля.

Это явление называется эффектом Фарадея, или магнитным вращением плоскости поляризации.

где — угол поворота плоскости поляризации,

-напряженность магнитного поля,

— длина пути световой волны,

V — постоянная Верде.

Источник: https://siblec.ru/estestvennye-nauki/optika/3-polyarizatsiya-sveta

Поляризация света

Как определить степень поляризации света

Начало XIX века для физики ознаменовалось развитием волновой теории света, которым занимались ученые Т. Юнг и О. Френель. В то время природа световых волн оставалась неизвестной. Изначально предполагалось, что свет является распространяющимися в некоторой гипотетической среде – эфире продольными волнами.

Однако в процессе изучения явлений дифракции и интерференции вопрос о том, продольные или поперечные световые волны, стал второстепенен.

На тот момент казалось невозможным, что свет – это поперечные волны, по той причине, что по аналогии с механическими волнами пришлось бы признать эфир твердым телом, ведь поперечные механические волны не обладают возможностью распространяться в газообразной или же жидкой среде.

Несмотря ни на что, постепенно копились свидетельствующие в пользу поперечности световых волн экспериментально полученные факты.

Определение 1

Еще в конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата (CaCO3) обладает свойством, позволяющим ему раздваивать проходящие сквозь него лучи. Данное явление было названо двойным лучепреломлением (рис. 3.11.1).

Рисунок 3.11.1. Прохождение света через кристалл исландского шпата (двойное лучепреломление). При повороте кристалла относительно направления первоначального луча оба луча, которые проходят через кристалл, тоже поворачиваются.

Определение 2

Поляризация света — это явление выделения из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.

Как же получить поляризованный свет?

Определение 3

Французским инженером Э. Малюсом в 1809 году был открыт названный в его честь закон. В экспериментах Малюса свет последовательно пропускался сквозь пару одинаковых пластинок из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватого оттенка). Они могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ, как это проиллюстрировано на рисунке 3.11.2.

Рисунок 3.11.2. Наглядный пример закона Малюса.

Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2 φ: 

I~cos2φ.

Двойное лучепреломление точно также, как и закон Малюса не может быть объяснено с точки зрения теории продольных волн. Для продольных волн направление распространения луча представляет собой ось симметрии. В них любые направления в плоскости, нормальной, то есть перпендикулярной, лучу, равноправны.

Пример 1

В поперечной волне, к примеру, в бегущей по резиновому жгуту волне, направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны (рис. 3.11.3).

Рисунок 3.11.3. Поперечная волна в резиновом жгуте. Частицы совершают колебательные движения вдоль оси y. При повороте щели S затухнет волна.

Выходит, что асимметрия относительно направления распространения луча – это решающий признак, отличающий поперечную и продольную волны. Первым высказал догадку о поперечности световых волн Т. Юнг в 1816 году.

Независимо от Юнга Френель тоже выдвинул концепцию поперечности световых волн, и даже смог обосновать ее с помощью большого количества опытов. Им была создана теория двойного лучепреломления света в кристаллах.

В середине 60-х годов XIX века Максвелл, взяв за основу совпадение известных значений скоростей распространения света и электромагнитных волн, сделал вывод о природе света.

Ученый решил, что свет – это частный случай электромагнитных волн. К тому времени экспериментальным путем была подтверждена поперечность световых волн.

По этой причине Максвелл предположил, что она является еще одним важным аргументом в пользу его выводов насчет электромагнитной природы света.

Пропала необходимость во введении особой среды распространения волн – эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело. Благодаря этому электромагнитная теория света приобрела должную стройность.

В условиях электромагнитной волны вектора E→ и B→ направлены перпендикулярно друг к другу и находятся в плоскости, которая перпендикулярна направлению распространения волны плоскости. (рис. 2.6.3)

Рисунок 2.6.3. Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы E→, B→ и υ→ взаимно перпендикулярны.

Определение 4

В каждом из процессов взаимодействия света с веществом электрический вектор E→ играет основную роль. По данной причине его называют световым вектором.

Виды поляризации света

Определение 5

Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, то подобная волна носит название линейно поляризованной или плоско поляризованной. Отметим, что термин поляризации волн ввел Малюс применительно к поперечным механическим волнам.

Определение 6

Плоскость, в которой колеблется световой вектор E→, носит название плоскости колебаний (то есть плоскость yz, изображенная на рисунке 2.6.3), а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор B→, является плоскостью поляризации (плоскость xz на рисунке 2.6.3).

Определение 7

В случае, когда две поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях монохроматические волны распространяются вдоль одного и того же направления, в общем случае результатом их сложения будет эллиптически поляризованная волна (смотрите рисунок 3.11.4).

Рисунок 3.11.4. Сложение двух взаимно перпендикулярно поляризованных волн и образование эллиптически поляризованной волны.

Определение 8

В нормальной (то есть перпендикулярной) направлению распространения волны эллиптически поляризованной волне в каждой плоскости P конец результирующего вектора E→ за период светового колебания обходит некоторый эллипс, носящий название эллипса поляризации.

Его размер и форма характеризуются амплитудами ax и ay линейно поляризованных волн и фазовым сдвигом Δφ между ними.

Определение 9

Волна, обладающая круговой поляризацией (ax=ay, Δφ=±π2) представляет собой частный случай эллиптически поляризованной волны.

Данные, получаемые при просмотре рисунка 3.11.5, дают представление о пространственной структуре эллиптически поляризованной волны.

Рисунок 3.11.5. Электрическое поле в эллиптически поляризованной волне.

Линейно поляризованный свет производится лазерными источниками. В случае отражения или рассеяния свет может стать поляризованным. В частности, голубой свет от неба частично или полностью поляризован. Однако, свет, который испускают обычные источники, такие как, например, солнечный свет и излучение ламп накаливания, является неполяризованным.

Свет, исходящий от подобных источников, в любой момент состоит из вкладов огромного числа независимо излучающих атомов, обладающими различной ориентацией светового вектора в волнах, которые они излучают.

По этой причине в результирующей волне вектор E→ хаотично меняет свою ориентацию во времени, из-за чего в среднем все направления колебаний получаются равноправными. 

Определение 10

Неполяризованный свет также называют естественным светом.

В любой момент времени вектор E→ может быть спроецирован на две взаимно перпендикулярные оси (смотри рисунок 3.11.6).

Рисунок 3.11.6. Разложение вектора E→ по осям Ох и Оу.

Это значит, что любую волну, вне зависимости от того, поляризованная она или же нет, можно представить в виде суперпозиции двух линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях волн: E→(t)=Ex→(t)+Ey→(t).

В поляризованной волне обе составляющие Ex(t) и Ey(t) когерентны, то есть разность фаз между Ex(t) и Ey(t) не претерпевает изменений, а в неполяризованной – некогерентны, значит разность фаз представляет собой случайную функцию времени.

Явление двойного лучепреломления света основывается на том, что в кристаллических веществах показатели преломления линейно поляризованных во взаимно нормальных направлениях волн, зачастую различны.

По данной причине кристалл раздваивает лучи, которые проходят сквозь него так, как это показано на рисунке 3.11.1.

Два луча на выходе кристалла линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях.

Определение 11

Кристаллы, в которых происходит двойное лучепреломление, называются анизотропными.

Прибегая к разложению вектора E→ на составляющие по осям, можно объяснить закон Малюса (рис. 3.11.2).

Определение 12

У значительной части кристаллов поглощение света кардинально зависимо от направления электрического вектора в световой волне. Такое явление носит название дихроизма.

Пример 2

В частности, данным свойством обладают использованные в знакомых нам опытах Малюса пластины турмалина. При некоторой толщине пластинка турмалина практически полностью поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн (как, к примеру, Ex) и частично пропускает вторую волну (то есть Ey).

Определение 13

Направление колебаний электрического вектора в прошедшей волне является разрешенным направлением пластины.

Пластинка турмалина может применяться как для создания поляризационного света, то есть в качестве поляризатора, так и для анализа характера поляризации света, как анализатор.

Определение 14

В наше время часто применяются искусственные дихроичные пленки, называющиеся поляроидами.

Поляроиды пропускают практически всю волну разрешенной поляризации и не пропускают поляризованную в нормальном направлении волну. Исходя из всего вышесказанного, можно заявить, что поляроиды – это идеальные поляризационные фильтры.

Пример 3

Разберем последовательное прохождение естественного света через пару идеальных поляроидов П1 и П2 (рисунок 3.11.7), чьи разрешенные направления развернуты друг относительно друга на угол φ. Первый поляроид в приведенном тандеме занимает место поляризатора. Он преобразовывает естественный свет в линейно поляризованный. Второй поляроид применяется в качестве анализатора.

Рисунок 3.11.7. Прохождение естественного света через два идеальных поляроида. yy'представляет собой разрешенные направления поляроидов.

Обозначение амплитуды линейно поляризованной волны после прохождения света через первый поляроид в виде E0=I02 приводит к тому, что пропущенная вторым поляроидом волна приобретает амплитуду E=E0 cos φ. Таким образом, интенсивность I линейно поляризованной волны на выходе второго поляроида может быть записана в виде следующего выражения:

I=E2=E02cos2φ=12I0cos2φ.

Выходит, что в электромагнитной теории света закон Малюса находит естественное объяснение, чья основа заключается в разложении вектора E→ на его составляющие.

Рисунок 3.11.8. Модель поляризации света.

Рисунок 3.11.9. Модель закона Малюса.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/volnovaja-optika/poljarizatsija-sveta/

Степень поляризации частично поляризованного света: определение, описание и формула

Как определить степень поляризации света

Сегодня раскроем сущность волновой природы света и связанное с этим фактом явление «степень поляризации».

Способность видеть и свет

Природа света и связанная с ней способность видеть волновала человеческие умы давно.

Древние греки, пытаясь объяснить зрение, предполагали: либо глаз испускает некие «лучи», которые «ощупывают» окружающие предметы и тем самым сообщают человеку их вид и форму, либо сами вещи излучают нечто, что улавливают люди и судят о том, как все устроено.

Теории оказались далеки от истины: живые существа видят благодаря отраженному свету. От осознания этого факта до умения вычислить, чему степень поляризации равна, оставался один шаг – понять, что свет является волной.

Свет – это волна

При более детальном изучении света выяснилось: при отсутствии помех он распространяется по прямой линии и никуда не сворачивает. Если на пути луча встает непрозрачное препятствие, то образуются тени, а куда уходит сам свет, людей не интересовало.

Но стоило излучению столкнуться с прозрачной средой, происходили удивительные вещи: луч менял направление распространения и тускнел. В 1678 году Х. Гюйгенс предположил, что это можно объяснить единственным фактом: свет – это волна. Ученый сформировал принцип Гюйгенса, который чуть позже был дополнен Френелем.

Благодаря чему сегодня люди знают, как определить степень поляризации.

Согласно этому принципу, любая точка среды, до которой дошел фронт волны, является вторичным источником когерентного излучения, а огибающая всех фронтов этих точек выступает в качестве фронта волны в следующий момент времени. Таким образом, если свет распространяется без помех, в каждый следующий момент фронт волны будет таким же, как и в предыдущий.

Но стоит лучу встретить препятствие, как вступает в силу другой фактор: в непохожих средах свет распространяется с разными скоростями. Таким образом, тот фотон, который успел добраться до другой среды первым, распространится в ней быстрее, чем последний фотон из луча. Следовательно, фронт волны наклонится.

Степень поляризации здесь пока что ни при чем, но понимать это явление в полной мере просто необходимо.

Время процессов

Стоит отдельно сказать, что все эти изменения происходят невероятно быстро. Скорость света в вакууме составляет триста тысяч километров в секунду. Любая среда замедляет свет, но не намного.

Время, за которое фронт волны исказится при переходе из одной среды в другую (например, из воздуха в воду), чрезвычайно мало. Человеческий глаз не может этого заметить, да и мало какой прибор способен зафиксировать столь короткие процессы. Так что понимать явление стоит чисто теоретически.

Теперь, в полной мере осознавая, что такое излучение, читатель захочет понять, как найти степень поляризации света? Не будем обманывать его ожиданий.

Выше мы уже упоминали, что в разных средах фотоны света имеют различную скорость. Так как свет – это поперечная электромагнитная волна (не является сгущением и разрежением среды), то у нее есть две основные характеристики:

  • волновой вектор;
  • амплитуда (также векторная величина).

Первая характеристика указывает, куда направляется луч света, при этом возникает вектор поляризации, то есть в какую сторону направлен вектор напряженности электрического поля. Это дает возможность вращения вокруг волнового вектора.

Естественный свет, например, излучаемый Солнцем, не имеет поляризации.

Колебания распространены во все стороны с равной вероятностью, не существует какого-либо избранного направления или фигуры, вдоль которой колеблется конец волнового вектора.

Виды поляризованного света

Прежде чем научиться вычислять формулу степени поляризации и производить расчеты, стоит понять, какие бывают виды поляризованного света.

  1. Эллиптическая поляризация. Конец волнового вектора такого света описывает эллипс.
  2. Линейная поляризация. Это частный случай первого варианта. Как понятно из названия, картина при этом – одно направление.
  3. Круговая поляризация. По-другому она еще называется циркулярной.

Любой естественный свет можно представить как сумму двух взаимно перпендикулярно поляризованных элементов. При этом стоит помнить, что две перпендикулярно поляризованные волны не взаимодействуют. Их интерференция невозможна, так как с точки зрения взаимодействия амплитуд они как бы не существуют друг для друга. Когда они встречаются, то просто проходят дальше, не изменяясь.

Частично поляризованный свет

Применение эффекта поляризации огромно. Направив на объект естественный свет, а получив частично поляризованный, ученые могут судить о свойствах поверхности. Но как определить степень поляризации частично поляризованного света?

Существует формула Н.А. Умова:

P=(Iпер-Iпар)/(Iпер+Iпар), где Iпер – это интенсивность света в направлении, перпендикулярном плоскости поляризатора или отражающей поверхности, а Iпар – параллельном. Величина Р может принимать значения от 0 (для естественного света, лишенного какой-либо поляризации) до 1 (для плоско поляризованного излучения).

Может ли естественный свет быть поляризованным?

Вопрос на первый взгляд странный. Ведь излучение, в котором нет каких-либо выделенных направлений, принято называть естественным. Однако для обитателей поверхности Земли это в некотором смысле приближение. Солнце дает поток электромагнитных волн различных длин. Это излучение не поляризовано.

Но проходя сквозь толстый слой атмосферы, излучение приобретает незначительную поляризацию. Так что степень поляризации естественного света в целом не равна нулю. Но величина настолько мала, что ею часто пренебрегают.

Учитывается она только в случае точных астрономических вычислений, где малейшая погрешность может прибавить звезде лет или расстояния до нашей системы.

Почему свет поляризуется?

Выше мы часто говорили, что в непохожих средах фотоны ведут себя по-разному. Но не упомянули почему. Ответ зависит от того, о какой именно среде мы говорим, другими словами, в каком агрегатном состоянии она находится.

  1. Среда – кристаллическое тело со строго периодическим строением. Обычно структуру такого вещества представляют как решетку с неподвижными шариками – ионами. Но в целом это не совсем точно. Такое приближение часто бывает оправдано, но не в случае взаимодействия кристалла и электромагнитного излучения. На самом деле каждый ион колеблется около своего положения равновесия, причем не хаотически, а в соответствии с тем, какие у него соседи, на каких расстояниях находятся и сколько их. Так как все эти колебания строго запрограммированы жесткой средой, то и излучить поглощенный фотон этот ион способен только строго определенной формы. Этот факт порождает другой: какова будет поляризация выходящего фотона, зависит от направления, в котором он вошел в кристалл. Это называется анизотропией свойств.
  2. Среда – жидкость. Здесь ответ сложнее, так как действуют два фактора – сложность молекул и флуктуации (сгущения-разрежения) плотности. Само по себе сложные длинные органические молекулы имеют определенное строение. Даже простейшие молекулы серной кислоты представляют собой не хаотический шарообразный сгусток, а вполне конкретную крестовидную форму. Другое дело, что все они в нормальных условиях располагаются хаотически. Однако второй фактор (флуктуация) способен создать такие условия, при которых небольшое количество молекул образуют в небольшом объеме нечто вроде временной структуры. При этом либо все молекулы будут сонаправлены, либо будут располагаться относительно друг друга под какими-то определенными углами. Если свет в это время пройдет сквозь такой участок жидкости, он приобретет частичную поляризацию. Отсюда следует вывод, что температура сильно влияет на поляризацию жидкости: чем выше температура, тем серьезнее турбулентность, и тем больше таких участков будет образовываться. Последний вывод существует благодаря теории самоорганизации.
  3. Среда – газ. В случае однородного газа поляризация происходит за счет флуктуаций. Именно поэтому естественный свет Солнца, пройдя сквозь атмосферу, приобретает небольшую поляризацию. И именно поэтому цвет неба голубой: средний размер уплотненных элементов такой, что рассеивается электромагнитное излучение голубого и фиолетового цветов. Но если мы имеем дело со смесью газов, то вычислить степень поляризации намного сложнее. Эти проблемы часто решают астрономы, которые исследуют свет звезды, прошедшей сквозь плотное молекулярное облако газа. Поэтому так сложно и интересно изучать далекие галактики и скопления. Но астрономы справляются и дарят изумительные фотографии глубокого космоса людям.

Источник: https://FB.ru/article/332493/stepen-polyarizatsii-chastichno-polyarizovannogo-sveta-opredelenie-opisanie-i-formula

Как определить степень поляризации света

Как определить степень поляризации света

Явление поляризации света осуществляется в момент отражения и преломления естественных лучей. В этом случае она становится следствием непосредственной зависимости коэффициента отражения света от направления вектора напряженности поля световой волны (электрического) относительно плоскости отражения.

Рисунок 1. Поляризация света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Замечание 1

В большей степени отражение будет свойственно тем волнам, чьи вектора параллельны отражающей плоскости. Отраженные и преломленные лучи, таким образом, становятся поляризованными только частично. Степень поляризации отраженных лучей будет зависимой в таком случае не только от материала отраженных поверхностей, но и от угла падения.

Поляризация света

Определение 1

Поляризация света считается в физике явлением, при котором фиксируется выделение линейно поляризованного света из естественного (или, возможно, частично поляризованного света).

Существование поляризации становится возможным исключительно у поперечных волн (продольные категорически исключаются). Это, в свою очередь, объясняется тем, что в продольных волнах колебания будут выполняться исключительно вдоль направления их распространения, и погасить данные волны невозможно никакой ориентацией щели.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Горизонтально поляризованные волны не обладают способностью проходить сквозь вертикальную щель. При плокополяризованности электромагнитной волны, направлением ее поляризации избирается направление вектора напряженности у электрического поля.

Свет не обязательно должен быть поляризованным. Так, он может оказаться и неполяризованным, что, в свою очередь, предполагает осуществление колебаний источника параллельно во многих плоскостях. В практическом применении, например, простая лампа накаливания испускает, подобно Солнцу, неполяризованный свет.

Свет, таким образом, характеризуется суммарным электромагнитным излучением множества атомов. Атомы при этом способны излучать световые волны без зависимости друг от друга. Это дает возможность характеризовать световую волну, излучаемую телом в целом, всевозможными и равновероятными колебаниями, осуществляемыми световым вектором.

Рисунок 2. Степень поляризации света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Получение поляризованного света

Поляризованный свет получается посредством пропускания естественного сквозь некоторые кристаллы (при двойном лучепреломлении). При этом фиксируется разделение луча на два разнонаправленных в кристалле, один из которых – обыкновенный (подчиняющийся общеизвестным законам преломления), а другой – необыкновенный.

В случае с необыкновенным лучом, показатель преломления и скорость распространения становятся зависимыми от направления распространения луча внутри кристалла. Оба луча при этом поляризованы в плоскостях, взаимно перпендикулярных.

В любом из кристаллов будет существовать хотя бы одно направление, при распространении вдоль которого луч не подвергается двойному лучепреломлению, поскольку наблюдается одинаковость скоростей необыкновенного и обыкновенного лучей (направление оптической оси кристалла).

Плоскость, которая проходит сквозь падающий луч и оптическую ось, будет называться главным сечением кристалла.

В обыкновенном луче фиксируется перпендикулярность колебаний светового вектора в отношении главного сечения кристалла, а в необыкновенном — колебания производятся непосредственно в плоскости главного сечения.

В случае исключения одного из лучей каким-то образом, кристалл уже превращается в поляризатор, способствующий получению поляризованного света.

Рисунок 3. Анализ поляризованного света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Частично поляризованные свет

Введение такого понятия, как степень поляризации в большей степени обусловлено необходимостью получения частично поляризованного света. Такая величина определяется с помощью компонентов, на которые разделяется световой пучок.

Существует два эффективных способа разделения пучка на компоненты:

  • деление на неполяризованный и поляризованный свет;
  • деление по форме колебаний.

Процессы разделения на поляризованный и неполяризованный свет будут актуальными в ходе рассмотрения поляризаторов, обеспечивающих частичную поляризацию, и сдвигающих фазу пластинок (они называются фазовыми пластинками) и т. д.

В случае прохождения частично поляризованного пучка, например, через сдвигающее фазу устройство, фиксируется неизменность неполяризованной компоненты. Таким образом, наблюдатель может акцентировать свое внимание исключительно на поляризованной компоненте.

Ученые отмечают одно существенное ограничение, которое характеризуется следующими принципами:

  1. Ни одно из общеизвестных устройств невозможно будет применить с целью проведения вышеуказанного разложения.
  2. Легко осуществимым при этом будет обратный процесс, который заключается в достаточной простоте комбинирования поляризованного и неполяризованного пучков (хотя бы локально). С этой целью будет достаточно их пересечения под незначительным углом. При использовании данного принципа возможна демонстрация законности подобного метода рассмотрения.

Эквивалентная степень линейной поляризации

Замечание 2

В определенных случаях полезным будет использование такого понятия, как эквивалентная степень линейной поляризации. Пучок, имеющий стопроцентную поляризацию эллиптического типа и эллиптичность (в незначительной степени), может рассматриваться в качестве пучка, обладающего частичной линейной поляризацией.

В таких условиях становится доступной такая поляризация, которая способна изменяться по спектру. В действительности, степень поляризации (и, с большей степенью вероятности, — даже форма поляризации) практически любого из немонохроматических пучков, выходящего из дихроичного поляризатора, начнет изменяться с длиной волны.

https://www.youtube.com/watch?v=rD8PUBRt-S0

На выходе из несовершенного поляризатора мы получаем свет с преобладающими колебаниями одного направления над колебаниями другого (частично поляризованный свет).

При пропускании подобного света сквозь поляризатор, в момент вращения прибора вокруг направления луча начнет изменяться интенсивность прошедшего света (в пределах от максимальной до минимальной величины).

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/kak_opredelit_stepen_polyarizacii_sveta/

Определение степени поляризации света

Как определить степень поляризации света

Методическиеуказания к выполнению лабораторнойработы № 3.2.4

ПРИ ОТРАЖЕНИИОТ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Теоретические положения

Световые волныпредставляют собой совокупностьпериодических электрических и магнитныхполей, распространяются в пространствесо скоростью света. В пустоте эта скоростьравна с =  м/с.

Уравнение световой волны представляетсобой совокупность двух уравнений,описывающих изменение векторовнапряженности полей Е и Н во времени ив пространстве.

Уравнения плоскоймонохроматической волны имеет вид:

(1)

где Е0,Н0– амплитудные значения напряженностейэлектрического и магнитного полей;

частота колебанийэлектрического и магнитного полей;

длина световойволны.

ВекторыЕи Нвзаимно перпендикулярны и перпендикулярнынаправлению распространения волны. ,иправовинтовую систему. Графическоеизображение плоской монохроматическойволны предоставлено на рис.1. Из сказанногоследует, что световые волны поперечны.Поперечным волнам свойственно явлениеполяризации.

Если в поперечной волнеколебания происходят в одной какой-либоплоскости, то такая волна называетсяполяризованной и свет в этом случаеназывается поляризованным. Плоскость,в которой изменяется вектор Н, называютплоскостью поляризации, а перпендикулярнуюк ней плоскость, в которой колеблетсявектор Е,- плоскостью колебаний.

Изображения на рисунке 1 волна являетсяплоскополяризованной.

Обычноисточники света (солнце, звезды,электрические лампочки и др.) излучаютсвет, в котором векторы напряженностиэлектрических (и магнитных) полейориентированны в пространстве различнымобразом. Такой свет называетсяестественным. В естественном луче всенаправления колебаний перпендикулярнык лучу и равновероятны, все амплитудыодинаковы.

Если в некоторых направленияхколебания каким-либо образом ослаблены,то такой свет называют частичнополяризованным. На схеме (рис.2) данорасположение векторов напряженностиэлектрического поля (Е) в естественном(а), частично поляризованном (б), иполностью поляризованном свете(в).

Предполагается, что луч распространяетсяпо осиz,то есть перпендикулярно к плоскостирисунка. Поляризация наблюдается припрохождении света через некоторыепрозрачные тела, например турмалин,исландский шпат и др. Поляризация светапроисходит также при отражении ипреломлении естественных лучей.

В этомслучае поляризация является следствиемтого, что коэффициент отражения светазависит от направления векторанапряженности электрического полясветовой волны относительно плоскостиотражения. В большей степени отражаютсяте волны, у которых вектор е параллеленотражающей плоскости. Таким образом.

Отраженные и преломленные лучи оказываютсячастично поляризованным. Пень поляризацииотраженных лучей зависит от материалаотраженных поверхностей и угла падения.

Степень поляризацииопределяется соотношением

,

(2)

где Imax,Imin– интенсивности световых потоковсоответствующих составляющим Еуи Ех.

При отражениисвета от диэлектриков зависимостьстепени поляризации света от углападения выражена очень ярко. Уголпадения, при котором отраженный лучполностью поляризован, называется угломполной поляризации или углом Брюстера.Для этого угла выполняется закон Брюстера

,

(3)

Нетруднодоказать, что в этом случае (для углаБрюстера),то есть угол между преломленным иотраженным лучом равен.На рисунке 3 изображены лучи: падающий,отраженный и преломленный. Схематичнопринято колебания светового характера,происходящие в плоскости чертежа,изображать черточками, а колебания,совершающиеся перпендикулярно чертежу,- точками.

В естественном (падающем) лучечисло черточек и точек одинаково;интенсивность компонентов по двумвзаимно перпендикулярным направлениямодинакова; в отраженном луче колебанияпроисходят только в плоскости,перпендикулярной чертежу, в преломленномпреобладают колебания в плоскостичертежа.

Как уже отмечалось, поляризованныйсвет можно получить, пропуская естественныйсвет через некоторые кристаллы. Приэтом наблюдается двойное лучепреломление.То есть разделение луча на два, идущихпо разным направлениям в кристалле.Один из них называется обыкновенным,другой — необыкновенным. Обыкновенныйлуч подчиняется известным законампреломления.

Для необыкновенного лучапоказатель преломления и скоростьраспространения зависят от направленияраспространения луча в кристалле. Обалуча поляризованы во взаимноперпендикулярных плоскостях.

Во всякомкристалле существует хотя бы однонаправление, распространяясь вдолькоторого, луч не испытывает двойноголучепреломления, так как в этом направлениискорости обыкновенного и необыкновенноголучей одинаковы. Это направлениеназывается оптической осью кристалла.

Плоскость, проходящая через падающийлуч и через оптическую ось, называетсяглавным сечением кристалла. В обыкновенномлуче колебания светового вектораЕперпендикулярны главному сечению(главной плоскости) кристалла, а внеобыкновенном луче колебания происходятв плоскости главного сечения.

Есликаким-либо образом исключить один лучей,то кристалл становится поляризатором,то есть прибором, позволяющим получитьполяризованный свет. Существуюткристаллы, в которых по-разному поглощаютсяобыкновенный и необыкновенный лучи.Это явление называется дихроизмом.

Дихроизм сильно выражен в кристаллахтурмалина, серо-кислого йодистогохинина, последний широко используетсядля поляроидов. В поляризационной призмеНиколя обыкновенный луч исключаютпосредством полного внутреннегоотражения. Наш глаз не способен отличитьполяризованный луч от естественного.Для анализа поляризованного светаслужат анализаторы. В качестве анализаторовиспользуются такие же приборы, как идля поляризаторов (призма Николя,турмалин и др.).

Нарисунке 4 показаны последовательнорасположенные поляризатор Ри анализатор А, пунктирные линии-направленияоптических осей.

От источника Sсвет проходит сначала через поляризаторР,становится поляризованным, то естьколебания вектора Е(а также Н)будут происходить в одной плоскости самплитудой а0.

Такой поляризованный свет доходит довторого поляроида – анализатора А,главное сечение которого составляетнекоторый угол с главным сечением поляризатора. А (а)прошедших через анализатор световыхколебаний будет равна проекции а0на направление оптической оси анализатора:

,

Интенсивность Iсвета пропорциональна квадрату амплитуды,следовательно, между интенсивностямипадающего на анализатор и прошедшегочерез анализатор света должно выполнятьсясоотношение

,

(4)

Интенсивностьсвета, выходящего из анализатора I,прямо пропорциональна интенсивностисвета, вышедшего из поляризатора, I0и квадратукосинуса угла между главными сечениями поляризатораи анализатора (закон Малюса).

Прохождениеплоскополяризованного света черезнекоторые оптические активные веществасопровождается изменением ориентацииплоскости поляризации (и плоскостиколебаний), то есть поворотом этойплоскости на некоторый угол. К такимвеществам относиться: кварц, нефть,скипидар, винная кислота, раствор сахараи тд.

Вращение плоскости поляризации уразличных веществ различно по величинеи направлению. Если поворот плоскостиколебаний вектора Е для наблюдателя,смотрящего навстречу проходящему лучу,совершается по часовой стрелке, товещество называется правовращающим,если против часовой стрелки, -левовращающим(рис.5).

Поворот плоскости колебанийвызывается молекулами оптическиактивного вещества, поэтому, очевидно,что угол поворота пропорционален числуактивных молекул, встречающихся на путилуча.

Если, например, оптически активноевещество – (сахар) растворено в неактивномвеществе – в воде, то угол поворотаплоскости колебанийпропорционален длине пути света враствореlи концентрации раствора С.Кроме того, угол поворота зависит от природы активного вещества,от частоты световых колебаний и немногоот температуры.

Эта зависимостьвыражается формулой

,

(5)

где — постоянная вращения (удельное вращение),величина, зависящая от рода вещества,длины волны (частоты) и температуры, атакже от выбора единицы измерения.

Определив из опытатри величины, входящее выражение (5),можно найти четвертую. Чаще всего опытнымпутем определяют ,,lи по формуле (5) находят концентрациюоптически активного вещества.

Источник: https://studfile.net/preview/1791271/

Booksm
Добавить комментарий