Поляризация естественного света

Естественный и поляризованный свет

Поляризация естественного света

Следствием теории Максвелла (см. § 162) является поперечность световых волн: векторы напряженностей электрического и магнитного  полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны (перпендикулярно лучу).

Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов.

Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора — вектора напряженности электрического поля (это название обусловлено тем, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества).

Рис. 272

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора (рис. 272, а; луч перпендикулярен плоскости рисунка).

В данном случае равномерное распределение векторов объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов — одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов.

Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора (и, следовательно, ) называется естественным.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное!) направление колебаний вектора (рис.

272, б), то имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор (и, следовательно, ) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 272, в), называется плоскополяризованным (линейно поляризованным).

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плос-кополяризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации.

Плоскополяризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света — света, для которого вектор (вектор ) изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпендикулярной лучу.

Если эллипс поляризации вырождается (см.

§ 145) в прямую (при разности фаз , равной нулю или ), то имеем дело с рассмотренным выше плоскополяризованным светом, если в окружность (при ( = ± /2 и равенстве амплитуд складываемых волн), то имеем дело с циркулярно поляризованным (поляризованным по кругу) светом. Степенью поляризации называется величина

где и — максимальная и минимальная интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора . Для естественного света = и Р = 0, для плоскополяризованного = 0 и Р = 1.

Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя так называемые поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направления (например, пропускающие колебания, параллельные плоскости поляризатора, и полностью задерживающие колебания, перпендикулярные этой плоскости). В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в отношении колебаний вектора , например кристаллы (их анизотропия известна, см. §70). Из природных кристаллов, давно используемых в качестве поляризатора, следует отметить турмалин.

Рассмотрим классические опыты с турмалином (рис.273). Направим естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина T1, вырезанной параллельно так называемой оптической оси 00 (см. §192).

Рис. 273

Вращая кристалл Т1 вокруг направления луча, никаких изменений интенсивности прошедшего через турмалин света не наблюдаем.

Если на пути луча поставить вторую пластинку турмалина Т2 и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла между оптическими осями кристаллов по закону Малюса (Э. Малюс (1775—1812) — французский физик):

(190.1)

где и — соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него.

Следовательно, интенсивность прошедшего через пластинки света изменяется от минимума (полное гашение света) при = /2 (оптические оси пластинок перпендикулярны) до максимума при = 0 (оптические оси пластинок параллельны).

Однако, как это следует из рис. 274, амплитуда световых колебаний, прошедших через пластинку Т2, будет меньше амплитуды световых колебаний , падающих на неё:

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды, то и получается выражение (190.1).

Рис. 274

Результаты опытов с кристаллами турмалина объясняются довольно просто, если исходить из изложенных выше условий пропускания света поляризатором. Первая пластинка турмалина пропускает колебания только определенного направления (на рис.

273 это направление показано стрелкой АВ) т. е. преобразует естественный свет в плоскополяризованный.

Вторая же пластинка турмалина в зависимости от ее ориентации из поляризованного света пропускает большую или меньшую его часть, которая соответствует компоненту , параллельному оси второго турмалина. На рис.

273 обе пластинки расположены так, что направления пропускаемых ими колебаний АВ и А'В' перпендикулярны друг другу. В данном случае Т1 пропускает колебания, направленные по АВ, а Т2 их полностью гасит, т. е. за вторую пластинку турмалина свет не проходит.

Пластинка Т1, преобразующая естественный свет в плоскополяризованный, является поляризатором. Пластинка Т2, служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором. Обе пластинки совершенно одинаковы (их можно поменять местами).

Если пропустить естественный свет через два поляризатора, плоскости которых образуют угол , то из первого выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого , из второго, согласно (190.1), выйдет свет интенсивностью . Следовательно, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора,

откуда (поляризаторы параллельны) и = 0 (поляризаторы скрещены).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/4_71162_estestvenniy-i-polyarizovanniy-svet.html

Поляризация естественного света

Поляризация естественного света

Определение 1

Естественным светом называют совокупность световых волн различными направлениями колебания светового вектора, данные колебания быстро и хаотично меняют друг друга. Данная сума волн статистически симметрична относительно нормали к волновому фронту.

Определение 2

Линейно- (плоско-) поляризованный свет — совокупность волн с единственным направлением колебания светового вектора. Направление колебаний векторов волны в данном случае является упорядоченным.

К более сложным видам упорядоченного колебательного движения относят эллиптическую и круговую поляризацию.

В таких вариантах поляризации конец вектора электрической (магнитной) напряженности описывает круг или эллипс.

Определение 3

Частично поляризованным светом называют свет, в котором одно из направлений колебаний является преимущественным, но не единственным.

Волновая нормаль при этом не является прямой, относительно которой направления колебаний векторов поля ($\overrightarrow{E},\overrightarrow{H}$) являются статистически равно вероятными в плоскости, которая перпендикулярна к этой прямой. Частично поляризованный свет часто рассматривают как смесь естественного и поляризованного света.

Естественный свет, который прошел сквозь неидеальный поляризатор нельзя считать полностью поляризованным. Частично поляризованные волны в действительности появляются также как результат распространения в веществе, которое содержит неоднородные включения, то есть рассеивающие свет.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Максимальное количество источников света испускают естественный свет, однако следы поляризации присутствуют, данный факт объясняется излучением глубоких слоев вещества.

Полагают, что свет, который испускает отдельный атом, сохраняет характер поляризации без изменений в течение длительного времени ($\sim {10}{-8}с$) (если сравнивать с периодом колебаний).

В макромире наблюдается результат излучения большого количества атомов, которые испускают свет разного типа поляризации. За время, которое тратит свет, распространяясь до наблюдателя, он претерпевает целую совокупность воздействий, которые вносят некоторую незаметную поляризацию. Лишь при определенных условиях наблюдения часть поляризованного света может существенно возрасти.

Способы и приборы, применимые для создания поляризованного света

Так, поляризованный свет появляется: при отражении света, его преломлении, дифракции, рефракции, люминесценции, формировании излучения лазеров.

Оптическими устройствами, которые служат для получения поляризованного света, могут быть: призмы, кристаллы, дифракционные решетки, люминесцирующие вещества, поляризованные пленки, лазеры. Устройства (приборы) при использовании которых получают поляризованный свет, называют поляризаторами (поляроидами, анализаторами, модуляторами).

Раздел оптики, в котором изучают проблемы получения, преобразования и использования на практике поляризованного света, называют полярометрией.

Двойное лучепреломление — метод получения поляризованного света

Исландский шпат — лучший материал для изучения и демонстрации явления поляризации света при двойном лучепреломлении, не смотря на то, что известно много естественных и искусственных кристаллов с аналогичными свойствами.

Кристалл исландского шпата выкалывается в форме ромбоэдра, причем его ромбы (грани) имеют углы $101{}\circ 52'$ и $78{}\circ 08'$.

В случае падения на подобное тело узкого пучка света, данный пучок преломляется и производит два пучка, с немного отличающимися направлениями.

В том случае, если мы имеем дело с узким пуком света, и толстым кристаллом, то на выходе из вещества получают два пучка, которые параллельны первоначальному пучку.

В случае нормального падения первичного пучка света на грань кристалла шпата преломленный пучок делится на два, причем один из них становится продолжением входящего пучка, а другой отклоняется, то есть угол преломления не равен нулю (рис.1). Луч, который отклоняется, называют необыкновенным.

Отличия в отклонении лучей говорят о том, что кристалл имеет разные показатели преломления для данных лучей. Исследования показали, что в кристалле шпата обыкновенный луч имеет показатель преломления одинаковый для всех направлений.

Тогда как показатель преломления необыкновенного луча зависит от направления распространения света.

Рисунок 1.

Выделенное направление в кристалле исландского шпата, в котором луч не раздваивается, называют оптической осью кристалла. Это направление составляет определенные углы с ребрами естественного кристалла.

Если мы имеем дело с кристаллом в виде ромбоэдра, то оптическая ось параллельна диагонали, которая соединяет углы тела. Оптическая ось в таком кристалле — это определенное направление, а не избранная линия.

Плоскость, которая проходит через оптическую ось и нормаль распространяющихся волн называют плоскостью главного сечения (главной плоскостью).

Пусть пучок света падает перпендикулярно на естественную грань кристалла шпата. Главную плоскость проведем через падающий луч. При этом внутри кристалла идут два луча (обыкновенный и необыкновенный).

Необыкновенный луч отклонен и лежит вместе с первым в главной плоскости. Из кристалла выйдут два луча, параллельных падающему лучу и находящихся в главной плоскости, но смещенных по отношению друг к другу.

Если кристалл вращать вокруг направления падающего луча, то один преломленный луч будет неподвижен, другой обходит вокруг первого.

Замечание 1

При исследовании данных лучей с помощью турмалина (стеклянного зеркала) выясняется, что они оба поляризованы, но в перпендикулярных плоскостях.

Колебания вектора $\overrightarrow{D}$ обыкновенной волны идет нормально к главной плоскости, а необыкновенной в главной плоскости. При этом интенсивности преломленных лучей одинаковы, если на кристалл падает естественный свет.

Надо отметить, что направление поляризации зависит только от ориентации кристалла и не зависит от того поляризован ли падающий свет.

Пример 1

Задание: Каков угол между плоскостями поляризатора и анализатора ($\alpha $), если естественный свет проходит последовательно через них. Поляризатор и анализатор поглощают и отражают 10\% падающего света ($k_1=k_2=0,1$). При этом интенсивность света вышедшего из анализатора составляет 12\% интенсивности света падающего на поляризатор.

Решение:

Интенсивность света, после его прохождения сквозь поляризатор можно найти как

\[I_1=\frac{1}{2}I_0\left(1-\left(k_1+k_2\right)\right)(1.1),\]

где $\left(k_1+k_2\right)$- относительная потеря интенсивности света в поляризаторе, $I_0$ — интенсивность естественного света, падающего на поляризатор. Свет по выходу из поляризатора становится поляризованным. Интенсивность света после прохождения анализатора можно найти в соответствии с формулой:

\[I_2=I_1\left(1-\left(k_1+k_2\right)\right)c{os}2\alpha \ \left(1.2\right).\]

Подставив выражение (1.1) в правую часть формулы (1.2), получим:

\[I_2=\frac{1}{2}I_0\left(1-\left(k_1+k_2\right)\right)\left(1-\left(k_1+k_2\right)\right)=\ \frac{1}{2}I_0{\left(1-\left(k_1+k_2\right)\right)}2c{os}2\alpha \left(1.3\right).\]

Из выражения (1.3) получим $cos\alpha :$

\[cos\alpha =\sqrt{\frac{{2I}_2}{I_0{\left(1-\left(k_1+k_2\right)\right)}2}}(1.4)\]

Имея из условия задачи соотношение:$I_2=0,12I_0$, подставим его в формулу (1.4) и все остальные данные, получим:

\[cos\alpha =\sqrt{\frac{2\cdot 0,12I_0}{I_0{\left(1-\left(k_1+k_2\right)\right)}2}}=\sqrt{\frac{2\cdot 0,12}{{\left(1-\left(0,2\right)\right)}2}}=0,61.\]

Ответ: $\alpha ={arccos \left(0,61\right)\ }.$

Пример 2

Задание: Приведите примеры для чего можно использовать явление поляризации света?

Решение:

Явление поляризации и поляризованный свет на практике используют для:

  • модуляции и исследования потоков света в квантовой и волновой оптике,
  • конструирования поляриметров (аналитических устройств), при использовании которых находят концентрацию веществ в растворах,
  • поляризационных фильтров, например, для устранения бликов в оптических приборах,
  • создания лазеров,
  • плавного регулирования интенсивности светового пучка.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/optika/polyarizaciya_estestvennogo_sveta/

Поляризованный и естественный свет. Отличие поляризованного света от естественного

Поляризация естественного света

Волны бывают двух видов. В продольных колебательное возмущение параллельно направлению их распространения. Примером может служить прохождение звука в воздухе. Поперечные волны состоят из возмущений, которые находятся под углом 90° к направлению перемещения. Так, например, волна, проходя горизонтально через массу воды, вызывает вертикальные колебания на ее поверхности.

Открытие явления

Ряд загадочных оптических эффектов, наблюдаемых в середине XVII века, был объяснен, когда поляризованный и естественный свет начал рассматриваться как волновой феномен и были обнаружены направления его колебаний.

Первый так называемый эффект поляризации был открыт датским врачом Эразмом Бартолином в 1669 году. Ученый наблюдал двойную рефракцию, или двойное лучепреломление, в исландском шпате, или кальците (кристаллической форме карбоната кальция).

Когда свет проходит через кальцит, кристалл расщепляет его, производя два изображения, смещенные относительно друг друга.

Ньютон знал об этом явлении и предположил, что, возможно, корпускулы света обладают асимметрией или «односторонностью», которая могла бы быть причиной формирования двух изображений. Гюйгенс, современник Ньютона, смог объяснить двойное преломление своей теорией элементарных волн, но он не понял истинного смысла эффекта.

Двойное лучепреломление оставалось загадкой, пока Томас Юнг и физик из Франции Огюстен-Жан Френель не предположили, что световые волны являются поперечными. Простая идея позволила объяснить, что такое поляризованный и естественный свет. Это обеспечило естественную и неосложненную основу для анализа поляризационных эффектов.

Двойное лучепреломление вызвано комбинацией двух перпендикулярных поляризаций, каждая из которых обладает своей скоростью волны. Из-за разницы в скорости две составляющие имеют различные показатели преломления, и поэтому они по-разному преломляются через материал, производя два изображения.

Поляризованный и естественный свет: теория Максвелла

Френель быстро разработал комплексную модель поперечных волн, которые приводили к двойному лучепреломлению и ряду других оптических эффектов. Через сорок лет электромагнитная теория Максвелла элегантно объяснила поперечную природу света.

Электромагнитные волны Максвелла составлены из магнитных и электрических полей, колеблющихся перпендикулярно направлению перемещения. Поля находятся под углом 90° друг другу.

При этом направления распространения магнитного и электрического полей образуют правую систему координат.

Для волны с частотой f и длиной λ (они связаны зависимостью λf = с), которая движется в положительном направлении х, поля описываются математически:

  • E(x, t) = E0cos (2πx/λ — 2πft)y;
  • B(x, t) = B0cos (2πx/λ — 2πft)z.

Уравнения показывают, что электрическое и магнитное поля находятся в фазе друг с другом. В любой данный момент времени они одновременно достигают своих максимальных значений в пространстве, равных Е0 и В0. Эти амплитуды не являются независимыми. Уравнения Максвелла показывают, что Е0 = cB0 для всех электромагнитных волн в вакууме.

Направления поляризации

В описании ориентации магнитного и электрического полей волны света обычно указывают только направление электрического поля.

Вектор магнитного поля определяется требованием о перпендикулярности полей и их перпендикулярности к направлению движения.

Естественный и линейно поляризованный свет отличаЕтся тем, что в последнем поля осциллируют в фиксированных направлениях по мере перемещения волны.

Возможны и другие состояния поляризации. В случае круговой векторы магнитного и электрического полей вращаются относительно направления распространения с постоянной амплитудой. Эллиптически поляризованный свет находится в промежуточном положении между линейной и круговой поляризациями.

Неполяризованный свет

Атомы на поверхности нагретой нити накаливания, которые генерируют электромагнитное излучение, действуют, независимо друг от друга. Каждое излучение можно приблизительно смоделировать в виде коротких цугов продолжительностью от 10-9 до 10-8 секунды.

Электромагнитная волна, исходящая от нити накаливания, представляет собой суперпозицию этих цугов, каждый из которых имеет собственное направление поляризации.

Сумма ориентированных случайным образом цугов образует волну, вектор поляризации которой изменяется быстро и беспорядочно. Такая волна называется неполяризованной.

Все естественные источники света, включая Солнце, лампы накаливания, люминесцентные лампы и пламя, производят такое излучение. Однако естественный свет часто бывает частично поляризован из-за множественного рассеяния и отражения.

Таким образом, отличие поляризованного света от естественного состоит в том, что в первом колебания совершаются в одной плоскости.

Источники поляризованного излучения

Поляризованный свет может быть произведен в случаях, когда определена пространственная ориентация.

Одним из примеров является синхротронное излучение, при котором высокоэнергичные заряженные частицы движутся в магнитном поле и излучают поляризованные электромагнитные волны. Существует много известных астрономических источников, излучающих естественно поляризованный свет.

В их число входят туманности, остатки сверхновых и активные галактические ядра. Поляризация космического излучения изучается для того, чтобы определить свойства его источников.

Фильтр поляроид

Поляризованный и естественный свет разделяются при прохождении через ряд материалов, наиболее распространенным из которых является поляроид, созданный американским физиком Эдвином Лэндом. Фильтр состоит из длинных цепочек молекул углеводородов, ориентированных в одном направлении путем процесса термической обработки.

Молекулы избирательно поглощают излучение, электрическое поле которого параллельно их ориентации. Свет, выходящий из поляроида, линейно поляризован. Его электрическое поле перпендикулярно направлению ориентации молекул.

Поляроид нашел применение во многих областях, включая солнцезащитные очки и светофильтры, снижающие эффект отраженного и рассеянного света.

Естественный и поляризованный свет: закон Малюса

В 1808 году физик Этьен-Луи Малюс обнаружил, что свет, отраженный от неметаллических поверхностей, частично поляризуется. Степень этого эффекта зависит от угла падения и показателя преломления отражающего материала.

В одном из крайних случаев, когда тангенс угла падения луча в воздухе равен показателю преломления отражающего материала, отраженный свет становится полностью линейно поляризованным.

Это явление известно как закон Брюстера (назван так в честь его первооткрывателя, шотландского физика Дэвида Брюстера). Направление поляризации параллельно отражающей поверхности.

Так как дневные блики, как правило, возникают при отражении от горизонтальных поверхностей, таких как дороги и вода, в солнечных очках часто используются фильтры, чтобы снять горизонтально поляризованный свет и, следовательно, выборочно удалить отблески света.

Рэлеевское рассеяние

Рассеяние света очень мелкими объектами, размеры которых намного меньше длины волны (так называемое рэлеевское рассеяние по имени английского ученого лорда Рэлея), также создает частичную поляризацию. Когда солнечное излучение проходит через земную атмосферу, оно рассеивается молекулами воздуха.

Земли достигает рассеянный поляризованный и естественный свет. Степень его поляризации зависит от угла рассеяния. Поскольку человек не различает естественный и поляризованный свет, то этот эффект, как правило, остается незамеченным.

Тем не менее глаза многих насекомых на него реагируют, и они используют относительную поляризацию рассеянного излучения как навигационный инструмент.

Обычный светофильтр фотоаппарата, применяемый для уменьшения фонового излучения при ярком солнечном освещении, представляет собой простой линейный поляризатор, который разделяет естественный и поляризованный свет Рэлея.

Анизотропные материалы

Эффекты поляризации наблюдаются в оптически анизотропных материалах (в которых показатель преломления изменяется с направлением поляризации), таких как двулучепреломляющие кристаллы, некоторые биологические структуры и оптически активные материалы. Технологическое применение включает поляризационные микроскопы, жидкокристаллические дисплеи и оптические приборы, используемые для исследования материалов.

Источник: https://FB.ru/article/281868/polyarizovannyiy-i-estestvennyiy-svet-otlichie-polyarizovannogo-sveta-ot-estestvennogo

Поляризация света

Поляризация естественного 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/

Booksm
Добавить комментарий