Круговая поляризация света

Поляризация света

Круговая поляризация света
?

Category: Перевод сайтаЭлектромагнитные волны – это изменяющиеся во времени и пространстве электрические и магнитные поля. Они распространяются со скоростью света. В любой точке светового луча магнитное поле перпендикулярно электрическому. Поэтому, для большей ясности, в анимациях показано только электрическое поле.

И электрическое, и магнитное поле колеблется в плоскости, перпендикулярной направлению распространения светового луча (а он таки распространяется?).В анимациях показан вектор, длина которого обозначает напряженность электрического поля в данной точке. Это не волна света! Свет в боковом направлении не распространяется.

Плоско-поляризованные волны (1)

Если вектор электрического поля (в данной точке пространства) колеблется вдоль вертикальной линии, волны называются плоско-поляризованными или линейно-поляризованными.

трехмерное представление …………………… фронтальная проекция

Плоско-поляризованные волны (2)

А это волны, поляризованные горизонтально.

Сложение плоско-поляризованных волн 1

Когда две плоско-поляризованные в перпендикулярной плоскости волны накладываются друг на друга, их векторы можно складывать по правилу параллелограмма. Свойства результирующей электромагнитной волны будут зависеть от разницы интенсивности и фаз первоначальных волн.

На анимации показано сложение двух одинаковых по амплитуде и длине волн, поляризованных в двух противоположных направлениях, совпадающих по фазе. Совпадение по фазе означает, что две волны одновременно увеличиваются и одновременно уменьшаются. Одна волна обозначена красным цветом, другая – зеленым.

Результирующая волна обозначена голубым цветом.

Сложение плоско-поляризованных волн 2

Когда две волны, плоско-поляризованных в двух перпендикулярных плоскостях, не совпадают по фазе, итоговая волна уже не будет плоско-поляризованной.

На анимации показано сложение двух одинаковых по амплитуде волн с одной длиной волны, поляризованных в двух перпендикулярных плоскостях, движущихся с разностью фаз в 90 градусов.

Такая разность фаз означает, что когда одна волна достигает максимальной величины, вторая проходит нулевую отметку.

Как видно, результатом сложения будет особая электромагнитная волна, вектор которой будет вращаться по кругу, а его длина будет оставаться постоянной. Это волна, поляризованная по кругу. Как видно из 3D-анимации, свет круговой поляризации можно представить в виде спирали, и описывается он уравнением круга, а не синусоидой.Вектор электрического поля здесь вращается против часовой стрелки, если смотреть в направлении распространения света.

Сложение плоско-поляризованных волн 3

На следующей анимации показано, что происходит, когда разность фаз между двумя волнами составляет -90 градусов (вместо +90). Одна волна сдвигается относительно другой на 3/4 длины волны.

Как видно, снова получается волна, поляризованная по кругу, но вектор электрического поля такого света вращается против часовой стрелки, если смотреть в сторону распространения света. Получается правое вращение вместо левого.

Таким образом различают правовращающую круговую поляризацию и левовращающую.

Круговая поляризация

Здесь вышеприведенные анимации света с круговой поляризацией сопоставляются, чтобы было легче их сравнивать.Фронтальные проекции дают следующую картину:

Сложение волн с круговой поляризацией

Выше мы видели, что плоско-поляризованные волны могут складываться. Волны с круговой поляризацией также могут складываться. В этом случае векторы полей складываются по правилам сложения векторов, так же, как в случае плоско-поляризованных волн.

Сложение волн с круговой поляризацией может давать разные результаты. Интереснее всего сложение волн с правой и левой круговой поляризацией. Предположим, что лучи света совпадают по амплитуде и длине волны.

На анимации видно, что за результирующая волна получится:
Как видим, получается плоско-поляризованная волна.

Таким образом, мы можем сделать важный вывод: Любая линейно-поляризованная волна может получиться при сложении одинаковых по амплитуде волн с левой и правой круговой поляризацией.

Взаимодействие света и материи

Свет, проникая в материю, может менять свои свойства. Его интенсивность (амплитуда), поляризация, скорость могут меняться.

Два основных феномена, наблюдающихся при взаимодействии света и материи – это поглощение (экстинция) и снижение скорости.

Поглощение – это уменьшение интенсивности (амплитуды колебаний) света из-за того, что материя поглощает часть света (интенсивность – это квадрат амплитуды).

Снижение скорости света в материи происходит из-за того, что всем материалам (даже не поглощающим свет) свойственен показатель преломления, означающий, что скорость света в этом материале меньше, чем в вакууме. Показатель преломления равен отношению скорости света в вакууме и в этом материале.

Плоско-поляризованный свет в поглощающей среде

На анимациях показано, что происходит, когда плоско-поляризованный свет проходит через среду, поглощающую свет, но не отражающую его (показатель преломление равен 1). Показан кусочек материала и фронтальные срезы до него и после него.На следующей анимации – вид спереди.

Слева – начальный вектор, справа – после прохождения через материал.Как видно, когда свет проходит через среду, его интенсивность снижается по экспоненте. После прохождения через среду вектор колеблется в том же направлении, но его амплитуда составляет примерно 36% от первоначальной.

Свет, поляризованный по кругу, при прохождении через поглощающую среду

На анимации показано, что происходит со светом круговой поляризации, когда он проходит через поглощающую среду (с показателем преломления 1). На следующей анимации – вид спереди. Слева – начальный вектор, справа – после прохождения через материал.

Как видно, когда свет проходит через среду, его интенсивность снижается по экспоненте. После прохождения вектор вращается в том же направлении, но его длина составляет примерно 36% от первоначальной.

Плоско-поляризованные волны в преломляющей среде

На анимации показано, что происходит с плоско-поляризованным светом, когда он проходит через среду с показателем преломления больше 1,0. Мы измеряем вектор поля световой волны до вхождения в материал и после выхода из него.На следующей анимации показаны фронтальные проекции. Слева — вектор до попадания светового луча в материал, справа – после прохождения материала.

Луч света, попадая в материал с показателем преломления больше 1,0, замедляется. Его частота не меняется, поэтому меняется длина волны (поскольку произведение длины волны на частоту равно скорости волны). При создании этих анимаций мы использовали показатель преломления n=2,2.

Это означает, что скорость света в данной среде в 1/2,2 раза ниже скорости света в вакууме, а длина волны в 1/2,2 раза меньше начальной. Когда свет выходит из материала, его скорость и длина волны возвращаются к начальным значениям (в вакууме). Так как материал не поглощает свет, интенсивность света не уменьшается.Расстояние между плоскостями точно равно 8 длинам волн в вакууме.

Следовательно, если материала между этими плоскостями не было бы, фаза волны бы не изменялась, волны совпадали бы по фазе. Но при размещении материала между этими плоскостями свет в нем замедляется и проходит уже не 4, а 8,8 полных периодов. Так что всего получается 12,8 периодов (2 от плоскости до материала и 2 после материала до плоскости).

Поскольку число периодов не целое, проекции векторов на плоскостях не совпадают по фазе.

Волны с круговой поляризацией в преломляющей среде

На анимации показано, что происходит с поляризованным по кругу светом, когда он проходит через среду с показателем преломления больше 1,0. Мы измеряем вектор поля световой волны до вхождения в материал и после выхода из него.На следующей анимации показаны фронтальные проекции.

Слева — вектор до попадания светового луча в материал, справа – после прохождения материала.Происходит почти то же самое, что и с плоско-поляризованным светом: длина волны в среде меньше, чем в вакууме, потому что свет в среде замедляется.

Интенсивность света не меняется: на выходе из материала она такая же, как на входе, потому что материал не поглощает.Однако фаза волны меняется примерно на 72 градуса.

Нетрудно представить, что произойдет при прохождении света через поглощающую И преломляющую среду: длина вектора уменьшится, фаза изменится.

Плоско-поляризованные волны в среде с круговым дихроизмом

Некоторые материалы обладают особыми свойствами: они поглощают свет, поляризованный по левому кругу, не так, как свет, поляризованный по правому кругу. Такое явления называется круговым дихроизмом.Как мы уже показывали выше, линейно поляризованный свет можно получить наложением света, поляризованного по левому и правому кругу. Если такой свет пройдет через среду с круговым дихроизмом, его свойства изменятся, потому что среда будет поглощать один компонент (левый или правый), не так, как другой.На анимации показано, что случается, когда плоско-поляризованный свет (с вертикальной плоскостью поляризации, показан голубым цветом) проходит через среду, которая не поглощает компоненту света, поляризованную по левому кругу (красная круговая волна), но сильно поглощает поляризованную по правому кругу (зеленая круговая волна).На фронтальных проекциях мы увидим такую картину (слева – до вхождения луча в материал, справа – после прохождения материала):
Что мы видим? Красный компонент почти не изменился, а зеленый ослабел: его интенсивность уменьшилась до 36% от первоначальной. Сложение этих двух компонент теперь дает не линейный вектор, а вектор, вращающийся по эллипсоиде. Такой свет называется эллиптически поляризованным светом.Вы видите, что большая ось эллипса параллельна начальной плоскости поляризации. Так происходит всегда, независимо от того, какая компонента света поглощается больше. А вот направление вращения вектора в эллипсе определяется той компонентой света, которая преобладает после прохождения через материал. В нашем случае – это красная компонента, более интенсивная после прохождения через материал.Конечно, материалов, вовсе не поглощающих одну из компонент, не бывает. В реальности материал поглощает обе компоненты, но в разной степени. Здесь мы просто для наглядности приняли такое условие.Насколько эллиптической становится поляризация, зависит от разницы поглощения компонент. В крайних случаях материал почти полностью поглощает одну компоненту и плоско-поляризованный свет становится почти полностью поляризованным по кругу.

Помните: круговой дихроизм превращает плоско-поляризованный свет в эллиптически-поляризованный.

Плоско-поляризованные волны в среде с круговым двулучепреломлением

Существуют материалы с особым свойством: показатель преломления у них для лево-и право-поляризованного по кругу света различается. Это явления называют круговым двулучепреломлением.Выше мы показали, что линейно-поляризованный свет возникает при сложении света с круговой поляризацией по левому и правому кругу. Когда такой свет проходит через среду с круговым двулучепреломлением, его свойства меняются, поскольку одна из круговых компонент замедляется в материале больше, чем другая.На анимации показано, что получается, когда плоско-поляризованная (вертикально) волна света (голубая) проходит через материал, который не замедляет красную компоненту, но сильно тормозит зеленую компоненту (для зеленой показатель преломления n=1,05).На следующей анимации показаны векторы электрической составляющей света до (слева) и после (справа) прохождения через материал.Как видно, прошедшая через материал волна по прежнему плоско-поляризованная, но ее плоскость поляризации отклонилась от вертикали – повернулась — примерно на 36 градусов.Какова же причина? Красная компонента света проходит через материал, почти не меняясь, а зеленая замедляется с уменьшением длины волны в среде. На изображении это трудно увидеть, поскольку показатель преломления всего 1,05. Но в результате зеленая волна проходит в материале 4,2 периода вместо 4, поэтому вектор ее отклоняется на 72 градуса в сторону вращения.Что получается с суммарным вектором? До попадания в среду векторы обеих компонент совпадали – двигались по вертикали. После прохождения через среду ситуация изменилась. Красная компонента осталась вертикальной, а зеленая сместилась на 72 градуса. Суммарный вектор отклонился от вертикали на 36 градусов. Таким образом, сложение двух поляризованных по кругу компонент волны повернуло исходную ось на 36 градусов.Конечно, в реальности материалы не имеют показателя преломления 1,0 для одной из компонент света, показатель преломления почти всегда больше 1,0 для обеих компонент. Мы упростили картину для большей наглядности.Угол поворота плоскости поляризации зависит от разности показателей преломления для двух круговых компонент света (и длины пути по материалу). Если разность достаточно велика, а кусочек материала достаточно толстый, плоскость поляризации может совершить несколько оборотов по кругу.

Помните: двулучепреломляющий материал вращает плоскополяризованный свет.

Материалы, которые вращают плоскость поляризации проходящего через них света (явление оптического вращения), называются оптически активными. Причиной оптической активности может быть двулучепреломление или круговой дихроизм.

Плоско-поляризованные волны в среде с круговым дихроизмом и двулучепреломлением

В реальности очень мало материалов, которые обладали бы круговым дихроизмом, но были лишены способности кругового двулучепреломления, или наоборот. Обычно эти свойства сочетаются.На анимации показано, что происходит, когда плоско-поляризованная волна (голубая) проходит через среду с круговым дихроизмом и круговым двулучепреломлением.

Красная компонента света не меняется, а зеленая поглощается и преломляется.Как ожидалось, падающий свет меняется двояким образом: из-за кругового дихроизма он приобретает эллиптичность, из-за кругового двулучепреломления плоскость поляризации вращается. Так что падающий свет перестает быть плоско-поляризованным, становится эллиптическим, и большая ось эллипса отклоняется от вертикали.

Эллиптичность зависит от разности поглощения левой и правой компонент круговой поляризации. Угол наклона большой оси эллипса зависит от разности показателей преломления левой и правой компонент.Можно измерить эти показатели с помощью специальных приборов и рассчитать нужные величины.Круговой дихроизм и круговое двулучпреломление зависят от асимметрии молекул вещества.

Оптическая активность растворов биологических макромолекул позволяет судить об их структуре. Свет

Источник: https://marta-inj.livejournal.com/82212.html

2.3. Поляризация электромагнитных волн

Круговая поляризация света

Выше на основе уравнений Максвелла было показано, что в бегущей плоской электромагнитной волне векторы и в каждой точке и в каждый момент времени образуют с волновым вектором правую тройку векторов. В этом заключается свойство поперечности электромагнитных волн.

Выберем ось Z системы координат вдоль волнового вектора . Тогда у векторов и могут быть отличны от нуля только проекции на оси X и Y .

Уравнения Максвелла допускают, в частности, такое решение, когда у вектора во всех точках и во все моменты времени отлична от нуля только одна проекция, например EX(Z,T). Вследствие упомянутого выше свойства поперечности, у вектора отлична от нуля только проекция на ось Y, т. е.

By(Z,T). Мгновенный «снимок» такой волны, показывающий векторы и в разных точках оси Z в один момент времени приведён на рис. 1.

В таком случае говорят, что волна имеет линейную, или плоскую, поляризацию. В плоскости, перпендикулярной направлению распространения, концы векторов и за период описывают две взаимно перпендикулярные линии, длина которых определяется удвоенной амплитудой соответственно электрической и магнитной составляющих поля.

Плоскость, в которой лежит вектор напряжённости электрического поля волны и волновой вектор , называют ПлоскостьюПоляризации или плоскостью колебаний. Чтобы представить себе изменения электрического и магнитного полей с течением времени, можно считать, что вся система векторов на рис.

 1 движется как целое вдоль оси Z со скоростью C.

Эллиптическая поляризация

В рассмотренном примере линейно поляризованной волны предполагалось, что вектор во всех точках направлен параллельно или антипараллельно оси X (см. рис. 1). В общем случае у плоской гармонической волны, распространяющейся вдоль оси Z, отличны от нуля обе компоненты Ex и Ey, а вектор электрического поля имеет вид

Рассмотрим плоскую волну, компоненты электрического поля которой изменяются по гармоническому закону

(1)

, (2)

Где d — сдвиг фаз между колебаниями.

Найдём уравнение траектории, по которой движется конец вектора в плоскости Z = Const. Перепишем (2) в виде

И с помощью (1) исключим из этого равенства cos (w– Kz) и sin (w– Kz):

(3)

Напомним, что амплитуды E10И E20 предполагаются положительными числами. Перенесём первое слагаемое правой части (3) на левую сторону, делим обе части на E20 и возводим их в квадрат.

Раскрываем скобки и приводим уравнение к виду

(4)

Соотношение (4) является уравнением конического сечения. Оно имеет форму эллипса, так как соответствующий детерминант неотрицателен, т. е.

.

Эллипс вписан в прямоугольник, стороны которого имеют длины 2E10 и 2E10 (рис. 2). Эллипс касается сторон прямоугольника в точках AA¢(±E10, ±E20cosd) и BB¢(±E10cosd, ±E20).

Итак, в общем случае при распределении плоской монохроматической световой волны конец вектора в плоскости = const описывает эллипс. Аналогично ведёт себя и вектор напряжённости магнитного поля. Такая волна называется эллиптически поляризованной.

Представить себе электрическое поле такой волны при фиксированном T можно так: на поверхности прямого эллиптического цилиндра проведена винтовая линия, начала всех векторов находятся в точках оси цилиндра, концы — на винтовой линии, причём сам вектор везде перпендикулярен оси.

Правая и левая эллиптические поляризации

Двигаясь по эллипсу в плоскости = const, конец вектора может вращаться по часовой или против часовой стрелки.

Для того чтобы различить эти два состояния, в оптике вводят понятия Правой поляризации (для наблюдателя, смотрящего навстречу световому лучу, вращение происходит по часовой стрелке) и Левой поляризации (вращение вектора в противоположном направлении).

Покажем, что направление вращения вектора зависит от знака разности фаз d. Выберем момент времени T0, для которого wT0 – Kz =0. В этот момент, согласно формулам (1) и (2),

,

Так что

(5)

Из формул (5) видно, что в тот момент, когда конец вектора достигает крайней правой точки своей траектории (рис. 2), имеем DE/DT< 0, если 0 

Источник: https://www.webpoliteh.ru/2-3-polyarizaciya-elektromagnitnyx-voln/

3.11. Поляризация света

Круговая поляризация света


В начале XIX века, когда Т. Юнг и О. Френель развивали волновую теорию света, природа световых волн была неизвестна. На первом этапе предполагалось, что свет представляет собой продольные волны, распространяющиеся в некоторой гипотетической среде – эфире.

При изучении явлений интерференции и дифракции вопрос о том, являются ли световые волны продольными или поперечными, имел второстепенное значение.

В то время казалось невероятным, что свет – это поперечные волны, так как по аналогии с механическими волнами пришлось бы предполагать, что эфир – это твердое тело (поперечные механические волны не могут распространяться в газообразной или жидкой среде).

Однако, постепенно накапливались экспериментальные факты, свидетельствующие в пользу поперечности световых волн. Еще в конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата (CaCO3) раздваивает проходящие через него лучи. Это явление получило название двойного лучепреломления (рис. 3.11.1).

Рисунок 3.11.1.Прохождение света через кристалл исландского шпата (двойное лучепреломление). Если кристалл поворачивать относительно направления первоначального луча, то поворачиваются оба луча, прошедшие через кристалл

В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). Пластинки можно было поворачивать друг относительно друга на угол φ (рис. 3.11.2).

Рисунок 3.11.2.Иллюстрация к закону Малюса

Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2 φ:

Ни двойное лучепреломление, ни закон Малюса не могут найти объяснение в рамках теории продольных волн. Для продольных волн направление распространения луча является осью симметрии.

В продольной волне все направления в плоскости, перпендикулярной лучу, равноправны.

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

Рисунок 3.11.3.Поперечная волна в резиновом жгуте. Частицы колеблются вдоль оси y. Поворот щели S вызовет затухание волны

Таким образом, асимметрия относительно направления распространения (луча) является решающим признаком, который отличает поперечную волну от продольной.

Впервые догадку о поперечности световых волн высказал в 1816 г. Т. Юнг.

Френель, независимо от Юнга, также выдвинул концепцию поперечности световых волн, обосновал ее многочисленными экспериментами и создал теорию двойного лучепреломления света в кристаллах.

В середине 60-х годов XIX века на основании совпадения известного значения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн Максвелл сделал вывод о том, что свет – это электромагнитные волны.

К тому времени поперечность световых волн уже была доказано экспериментально.

Поэтому Максвелл справедливо полагал, что поперечность электромагнитных волн является еще одним важнейшим доказательством электромагнитной природы света.

Электромагнитная теория света приобрела должную стройность, поскольку исчезла необходимость введения особой среды распространения волн – эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело.

В электромагнитной волне вектора и  перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 2.6.3). Во всех процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет электрический вектор поэтому его называют световым вектором.

Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, такую волну называют линейно поляризованной или плоско поляризованной (термин поляризация волн был введен Малюсом применительно к поперечным механическим волнам). Плоскость, в которой колеблется световой вектор называется плоскостью колебаний (плоскость yz на рис. 2.6.

3), а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор – плоскостью поляризации (плоскость xz на рис. 2.6.3).

Если вдоль одного и того же направления распространяются две монохроматические волны, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, то в результате их сложения в общем случае возникает эллиптически поляризованная волна (рис. 3.11.4).

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

В эллиптически поляризованной волне в любой плоскости P, перпендикулярной направлению распространения волны, конец результирующего вектора за один период светового колебания обегает эллипс, который называется эллипсом поляризации.

Форма и размер эллипса поляризации определяются амплитудами ax и ay линейно поляризованных волн и фазовым сдвигом Δφ между ними.

Частным случаем эллиптически поляризованной волны является волна с круговой поляризацией (ax = ay, Δφ = ± π / 2).

Рис. 3.11.5 дает представление о пространственной структуре эллиптически поляризованной волны.

Рисунок 3.11.5.Электрическое поле в эллиптически поляризованной волне

Линейно поляризованный свет испускается лазерными источниками. Свет может оказаться поляризованным при отражении или рассеянии. В частности, голубой свет от неба частично или полностью поляризован. Однако, свет, испускаемый обычными источниками (например, солнечный свет, излучение ламп накаливания и т. п.), неполяризован.

Свет таких источников в каждый момент состоит из вкладов огромного числа независимо излучающих атомов (см. § 3.2) с различной ориентацией светового вектора в излучаемых этими атомами волнах. Поэтому в результирующей волне вектор беспорядочно изменяет свою ориентацию во времени, так что в среднем все направления колебаний оказываются равноправными.

Неполяризованный свет называют также естественным светом.

В каждый момент времени вектор может быть спроектирован на две взаимно перпендикулярные оси (рис. 3.11.6).

Рисунок 3.11.6.Разложение вектора по осям

Это означает, что любую волну (поляризованную и неполяризованную) можно представить как суперпозицию двух линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях волн: Но в поляризованной волне обе составляющие Ex (t) и Ey (t) когерентны, а в неполяризованной – некогерентны, т. е. в первом случае разность фаз между Ex (t) и Ey (t) постоянна, а во втором она является случайной функцией времени.

Явление двойного лучепреломления света объясняется тем, что во многих кристаллических веществах показатели преломления волн, линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях, различны.

Поэтому кристалл раздваивает проходящие через него лучи (рис. 3.11.1). Два луча на выходе кристалла линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях.

Кристаллы, в которых происходит двойное лучепреломление, называются анизотропными.

С помощью разложения вектора на составляющие по осям можно объяснить закон Малюса (рис. 3.11.2).

У многих кристаллов поглощение света сильно зависит от направления электрического вектора в световой волне. Это явление называют дихроизмом. Этим свойством, в частности, обладают пластины турмалина, использованные в опытах Малюса.

При определенной толщине пластинка турмалина почти полностью поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн (например, Ex) и частично пропускает вторую волну (Ey). Направление колебаний электрического вектора в прошедшей волне называется разрешенным направлением пластинки.

Пластинка турмалина может быть использована как для получения поляризованного света (поляризатор), так и для анализа характера поляризации света (анализатор). В настоящее время широко применяются искусственные дихроичные пленки, которые называются поляроидами.

Поляроиды почти полностью пропускают волну разрешенной поляризации и не пропускают волну, поляризованную в перпендикулярном направлении. Таким образом, поляроиды можно считать идеальными поляризационными фильтрами.

Рассмотрим прохождение естественного света последовательно через два идеальных поляроида П1 и П2 (рис. 3.11.7), разрешенные направления которых повернуты друг относительно друга на некоторый угол φ. Первый поляроид играет роль поляризатора. Он превращает естественный свет в линейно поляризованный. Второй поляроид служит для анализа падающего на него света.

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

Если обозначить амплитуду линейно поляризованной волны после прохождения света через первый поляроид через то волна, пропущенная вторым поляроидом, будет иметь амплитуду E = E0 cos φ. Следовательно, интенсивность I линейно поляризованной волны на выходе второго поляроида будет равна

Таким образом, в электромагнитной теории света закон Малюса находит естественное объяснение на основе разложения вектора на составляющие.

Модель. Поляризация света
Модель. Закон Малюса




Лучшие школы, лагеря, ВУЗы за рубежом
Нестандартные межкомнатные двери белые http://www.rem-sovet.ru
rem-sovet.ru
Математика, Английский язык, Химия, Биология, Физика, География, Астрономия.
А также: online подготовка к ЕГЭ на College.ru, библиотека ЭОРов и обучающие программы на Multiring.ru.

Источник: https://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter3/section/paragraph11/theory.html

Поляризационные фильтры: как они работают и для чего нужны

Круговая поляризация света

Потому что они делают цвета фотографии более насыщенными, а также избавляют картинку от бликов.

Видимый свет, как и любое другое электромагнитное излучение, является волной. Поляризованным светом называется излучение, волны которого колеблются в одной плоскости.

Изначально солнечный свет не поляризован, то есть у его волн нет чётко определённого направления поперечных колебаний. Но по пути к фотоаппарату свет то и дело отражается и преломляется.

В итоге мы имеем блики на различных поверхностях, а на небе появляется специфичная пелена. Поляризационный фильтр создан, чтобы бороться с этим.

Длинный ответ

Чтобы развёрнуто ответить на вопрос «Зачем нужны поляризационные фильтры?», нужно начать с того, что такое поляризованный (и вообще любой) свет.

Свет

Световые волны – это видимый спектр электромагнитного излучения где-то между 400 и 700 нм. Он состоит из электрических и магнитных волн. Они довольно громоздко выглядят вместе (плюс магнитные волны никак не относятся к вопросу о поляризации), поэтому давайте ограничимся электрической составляющей. Волна колеблется перпендикулярно направлению своего движения.

Что же такое поляризация? Представьте себе световую волну, направленную прямо в ваш глаз. Если развернуть предыдущий рисунок на 90 градусов, то всё, что нам будет видно, это колебание волны вверх-вниз.

Такой световой луч называется поляризованным. Так что поляризованным называется тот свет, электрическое поле которого колеблется только в одном направлении. Вертикально в данном случае.

Это может быть и горизонтальная, и любая, в принципе, ориентация.

Ладно, но как тогда получить неполяризованный свет? Без проблем. Большая часть света, что мы видим, не поляризована. Свет, исходящий напрямую от солнца, не поляризован. То же касается лампочки накаливания, любого горячего светящегося объекта. В один момент времени поле может быть направлено в одну сторону, а в другой – совсем в другую. Это происходит в случайном порядке.

Линейная поляризация

Допустим, вам по каким-то причинам нужно получить поляризованный свет. Как это сделать? Просто используйте поляризатор. Это материал, пропускающий свет. Но пропускает он только свет, ориентированный в одном направлении.

Представим поляризатор, пропускающий только вертикально ориентированный свет. Если поставить его в одну линию с лампой и глазом, он отсечет любой свет, кроме поляризованного вертикально. Естественно, за счет потери части излучения, мы получим несколько более темную картинку.

Взяв поляризатор с горизонтальной ориентацией, мы получим горизонтально поляризованный свет.

И как все это использовать?

Здорово, но зачем вся эта поляризация нужна в обычной жизни, ведь мало кто собирается проводить ежедневные эксперименты? Вспомните солнцезащитные очки с поляризацией (нет, они так называются не только потому, что маркетологи зацепились за модное словечко и нашли повод поднять цену на них в несколько раз) и то, как они борются с бликами и отражениями.

Как это работает? Представьте себя стоящим в солнечную погоду на берегу озера. Свет попадает к вам в глаза со всех направлений, отражаясь от облаков, любой поверхности по соседству. Спокойный отражённый солнечный свет. Но если вы посмотрите прямо на воду, то увидите яркий блик прямиком от солнца. В нем нет ничего хорошего: он ослепляет, причиняет боль.

«Пора положить конец этим надоевшим бликам!» – скажут в отделе маркетинга какой-нибудь фирмы по производству солнцезащитных очков. К счастью, хоть прямой солнечный свет не имеет поляризации, но, отражаясь от поверхности, он, как минимум, частично поляризуется (при некоторых углах падения – полностью).

Причем направление поляризации параллельно плоскости, от которой отразился свет.

Получается, что большая часть (если не вся) отраженного от поверхности света имеет четко выраженную поляризацию. Всё, что нам остаётся сделать, это надеть солнцезащитные очки с вертикальным поляризационным фильтром и тем самым отсечь блики.

Эти же очки позволят заглянуть под поверхность воды.

Всё это справедливо и для поляризационного фотофильтра. Основная разница состоит в том, что за счёт изменяемой плоскости вращения вы сами можете задавать направление поляризации.

Круговая поляризация и зачем она нужна

Помимо линейной поляризации существует другой ее вид – круговая.

Вот две волны, колеблющиеся в перпендикулярных друг другу плоскостях. В случае, когда они совершают колебания в одной фазе, их суммарный вектор направлен по диагонали. То есть мы снова получаем линейно поляризованный свет.

Но если сдвинуть горизонтальную волну на 1/4 фазы, суммарный вектор двух волн будет вращаться по часовой или против часовой стрелки. То есть, поляризация не будет всё время направлена в одну сторону, она будет круговой.

Чтобы понять, как на практике работает круговой поляризационный фильтр, нужно принять тот факт, что линейно поляризованный свет состоит не из одной электрической волны, а из вектора суммы двух перпендикулярно колеблющихся волн, как на картинке выше. Собственно, сам фильтр состоит из двух частей: линейного поляризатора и специального материала, замедляющего одну компоненту поляризованного света на 1/4 фазы.

Так, а к чему вообще все эти заморочки с круговой поляризацией, когда есть линейная?

Всё дело в том, что электроника современных камер не может адекватно работать с линейно поляризованным светом. Возможны ошибки экспозамера и фокусировки. Со светом, имеющим круговую поляризацию, такой проблемы не возникает, потому что он ведет себя как обычный природный свет.

Использование поляризационного фильтра на фотокамере

Как я писал в начале, поляризационный фильтр делает цвета фотографии более насыщенными, а также избавляют картинку от бликов. Увеличенные насыщенность и контрастность полезна при съёмке пейзажей.

Левый снимок сделан без поляризационного фильтра. Правый – с ним. На втором снимке хорошо заметна как возросшая общая контрастность изображения, так и увеличенное количество деталей в облаках. Стоит обратить внимание, что из-за отсечения фильтром части света, нижняя фотография сделана на более длинной выдержке, чем верхняя: 1/125 секунды против 1/250. Настройки ISO и диафрагмы одинаковы.

Иногда схожего эффекта можно достигнуть при обработке (часто потратив на это больше времени), но вот чего вы точно не сможете добиться, так это избавления от бликов и отражений.

Использование поляризационного фильтра на правой фотографии помогло убрать большую часть бликов на окнах.

Это бывает чертовски полезно, когда вам нужно сделать кадр через стекло, но из-за отражений не удаётся ничего поймать.

Такой же эффект наблюдается и с бликами на поверхности воды. Правая фотография сделана с поляризационным фильтром.

Конечно, иногда поляризационный фильтр своим эффектом может сделать фотографию хуже. Например, когда вам нужно сохранить дымку в атмосфере или оставить отражения. Всё зависит от того, как вы захотите распорядиться им в своих руках. И не стоит забывать о том, что поляризационный фильтр всегда немного затемняет изображение.

Источник: https://www.fotosklad.ru/expert/photo/lesson/polyarizatsionnye-filtry-kak-oni-rabotayut-i-dlya-chego-nuzhny.html

Круговая поляризация света

Круговая поляризация света

Свет является одной из разновидностей электромагнитного излучения, поэтому его возможно охарактеризовать источником и направленностью. Кроме того, данное явление имеет двойственную природу: в одном пространстве оно представляет собой волну, а в другом – фотон.

Рисунок 1. Свет, поляризованный по кругу. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Определение 1

Поляризация света — это одно из важнейших свойств любого светового излучения, наблюдаемого в оптическом диапазоне.

При поляризации колебания частиц оптического вектора, направленных на поперечную поверхность, происходят в одной и той же плоскости. Другие составляющие в процессе отсекаются.

Замечание 1

Так как свет – это электрическая и магнитная волна, то оно непосредственно зависит от электромагнитных осей напряженности.

Такие векторы всегда перпендикулярны друг к другу и создают условную среду, которая перпендикулярна основной линии распространения световой волны. Круговая поляризация света появляется в том случае, если все оси магнитной индукции и электрического поля движутся относительно направления пучка света.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

В свою очередь, при колебаниях напряженности электрического поля в одном и том же пространстве возникает плоско-поляризованная волна. Ее второе название, отражающее тот же самый физический процесс – «линейно поляризованная».

Особенности круговой поляризации

Определение 2

Круговая поляризация света — одно из распространенных проявлений поперечной линии по отношению к направлению распределении электромагнитных полей анизотропии.

Этот эффект наблюдается в результате «поперечности» колебаний осей напряженности магнитной и электрической волны, при которой появление осевая симметрия луча невозможно.

В пространстве возникают выделенные направления колебаний осей в плоскости после анизотропии электромагнитной волны.

Из-за взаимной ортогональности веществ для детального описания состояния внутренних колебаний в волне достаточно использовать принцип действия круговой поляризации, в качестве которого выбирают обычно ось напряжённости электрического поля.

Сущность физического явления круговой поляризации волны света ясна из следующих рассуждений. Рассмотрим две абсолютно плоские монохроматические волны, имеющие одинаковую интенсивность, располагающуюся вдоль вектора декартовой системы координат. При сложении всех показателей когерентных изменение получается волна, в которой конкретный вектор вращается вокруг своей оси.

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

В световой волне вращение вектора напряжённости, которое происходит в направлении против часовой стрелки, носит название поляризованной по левому кругу. Соответственно, волна света, вращение оси напряженности которой осуществляется по часовой стрелки, называется поляризованной по правому кругу.

Две произвольные световые волны, поляризованные по двум направлениям, не могут взаимодействовать между собой, так как в их совместном наблюдении не возникает интерференционной картины. Это считается основанием относить эти процессы к волнам с ортогональной, постоянной поляризацией.

Из сказанного выше следует метод получения плоского светового излучения с круговой поляризацией. Для этого нужно просто сложить две плоские линейно поляризованные оси в соответствующих направлениях световые волны.

Получение кругового поляризованного света

Как известно из гипотезы колебаний, определенное состояние поляризации возникает при взаимодействии двух монохроматических перпендикулярных световых волн, имеющие равные частоты и распространяющиеся строго в одном направлении. Этот процесс происходит при определенных соотношениях их амплитуд и разности фаз.

Из вышеизложенного следует, что для получения кругового поляризованного света необходимо:

  • получить две прямые перпендикулярные с одинаковыми амплитудами и монохроматические волны света равной частоты, движущиеся в одну сторону;
  • создать между этими волнами разность фазовых амплитуд;
  • пропустить линейно поляризованный свет с длиной волны через определенную плоскопараллельную пластинку толщиной, соответствующую параметрам кристалла.

В этом случае пластинка находится параллельно оптическому вектору. Круговая поляризованная световая волна во время попадания в тонкую пластинку, автоматически разбивается на две — обыкновенную и необыкновенную. Будучи линейно поляризованными, пучок света располагается во взаимно перпендикулярных средах, а волны приобретут на выходе из нее разность фаз.

Применение круговой поляризации

Чаще всего круговая поляризации используется для разработки различных оптических эффектов, а также в современном 3D-кинематографе, где это явление применяется для разделения ярких изображений, предназначенных левому и правому глазу.

Круговая поляризация внедряется в антеннах космических линий связи, так как для приёма сверхвысокого сигнала важно не только его положение устройства, а и плоскость приёмной и передающей частот. То есть вращение любого космического аппарата не повлияет на вероятность нормальной связи с ним.

В наземных линиях зачастую применяется антенны линейной поляризации. Конструкцию круговой поляризации выполнить сложнее, так как само явление рассматривается только с точки зрения теорий. На практике задействуют антенны эллиптической поляризации — с правым или левым направлением вращения.

Круговая поляризация позволяет избегать двоение картинки при незначительных боковых наклонах головы и сохранять начальный стереоэффект. Также, данный эффект находит широкое применение в автомобилях: стекло фар всегда поляризовано в горизонтальной плоскости, а лобовое стекло — в вертикальной. Благодаря этому встречная машина не способна ослепить водителя ярким светом от фар.

Рисунок 2. Применение поляризации. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Без круговой поляризации не обходятся и современные фильтры для фотоаппаратов, а также и стереокино, которое снимается специальными камерами. Для просмотра необходимы стерео-очки. Правый и левый глаз видит изображение так, как его передают два объектива камеры.

Создаётся впечатление невероятного объема кадра. Если же посмотреть на монитор без специальных очков, то картинки будет не резкими и смазанным.

Чтобы получить поляризованное и качественное изображение на объективы камер, обязательно надеваются соответствующие светофильтры.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizicheskaya_optika/krugovaya_polyarizaciya_sveta/

Booksm
Добавить комментарий