 |
Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Степень поляризации. Закон Малюса.
|
|
|
|
При изучении явлений интерференции и дифракции вопрос о том, являются световые волны продольными или поперечными, имел второстепенное значение. Там мы изучали способы оценки модуля вектора напряженности электрической составляющей электромагнитной волны. Здесь мы обсудим его направление.
основное свойство электромагнитных волн – поперечность колебаний векторов напряжённости электрического и магнитного полей по отношению к направлению распространения волны (рис. 11.1).
Рис. 11.1
В каждом отдельном случае (для каждого цуга волн) имеется та или иная ориентация векторов 
и 
в пространстве по отношению к распространению (направления луча). Такая асимметрия характерна только для поперечных волн. Продольная волна всегда симметрична относительно направления распространения.
Как правило, излучение естественных источников представляет собой пример электромагнитных волн со всевозможными равновероятностными ориентациями вектора , т.е. с неопределённым состоянием поляризации. Такой свет называют неполяризованным илиестественным(рис. 11.2, а).
| ||
| а | б | в |
Рис. 11.2
Свет с преимущественным (но не исключительным) направлением колебаний вектора называют частично поляризованным светом (рис. 11.2, б).
в природе существует обширный класс электромагнитных волн, в которых колебания электрического и магнитного полей совершаются в строго определённых направлениях. Такое свойство определяет состояние поляризации электромагнитной волны. Если вектор напряженности электрического поля электромагнитной волны колеблется вдоль некоторого направления в пространстве, говорят о линейной поляризации рассматриваемой электромагнитной волны (рис. 11.2, в). Электромагнитная волна в этом случае называется полностью поляризованной.
|
|
|
из уравнений Максвелла следует существование полностью поляризованных электромагнитных волн, у которых по мере распространения волны векторы напряжённости электрического и магнитного полей изменяются таким образом, что траектория их движения в плоскости, поперечной направлению распространения волны, представляет собой эллипс или окружность. В этом случае говорят, соответственно, об эллиптической, или круговой, поляризации электромагнитной волны (рис. 11.3, а, б). В п. 2.4 мы подробно рассмотрели различные виды поляризации колебаний.
а б
Рис. 11.3
Пространственную структуру эллиптически поляризованных волн поясняет рис. 11.4.
Рис. 11.4
Винтовая линия, изображенная на этом рисунке, есть геометрическое место концов вектора , относящихся к различным значениям z в один и тот же момент времени t. Шаг винта равен длине волны l. С изменением t эта винтовая линия, не деформируясь, перемещается со скоростью света в направлении распространения волны. При этом мы получим поле , вращающееся по часовой стрелке (если смотреть навстречу волне).
Как показывает опыт, реальные световые волны во многих случаях можно описывать с помощью рассмотренных выше моделей эллиптически поляризованных волн.
При распространении электромагнитной волны в реальных средах возможно превращение неполяризованных волн в полностью поляризованные и наоборот. Примером такого превращения является поляризация электромагнитной волны при отражении.
Другой практически важный способ поляризации электромагнитных волн, в частности световых волн, представляет рассматриваемое в этой теме распространение электромагнитных волн в оптически анизотропных средах.
Естественно, что инструментом для исследования асимметрии поперечных волн может служить система, сама являющаяся асимметричной. Газ, жидкость, твердые аморфные тела изотропны.
|
|
|
Асимметрией обладают кристаллические тела. Их свойства могут различаться в различных направлениях. Они анизотропны. Отсюда следует, что асимметрию поперечных световых лучей можно изучать, пропуская свет через анизотропные кристаллы.
Устройства, позволяющие получать линейно поляризованный свет, называют поляризаторами. Когда те же самые приборы используют для анализа поляризации света, их называют анализаторами. Через такие устройства проходит только та часть волны, у которой вектор колеблется в определенном направлении. Это направление называют главной плоскостью поляризатора (анализатора).
Пусть естественный свет падает на кристалл поляризатора Р (рис. 11.5).
Рис. 11.5
После прохождения поляризатора, он будет линейно поляризован в направлении 
. Интенсивность света при этом уменьшится на половину. Это объясняется тем, что при случайных ориентациях вектора все направления равновероятны.
Если вращать поляризатор вокруг светового луча, то никаких особых изменений не произойдет. Если же на пути луча поставить еще и второй кристалл – анализатор A, то интенсивность света будет изменяться в зависимости от того, как ориентированы друг относительно друга обе пластины. Интенсивность света будет максимальна, если оси обоих кристаллов параллельны, и равна нулю, если оси перпендикулярны друг другу.
Все это можно объяснить следующим образом:
· световые волны поперечны, однако в естественном свете нет преимущественного направления колебаний;
· кристалл поляризатора пропускает лишь те волны, вектор которых имеет составляющую, параллельную оси кристалла (именно поэтому поляризатор ослабляет свет в два раза);
· кристалл анализатора, в свою очередь, пропускает свет, когда его ось параллельна оси поляризатора.
Плоско поляризованный свет можно получить из естественного света с помощью приборов, называемых поляризаторами. Поляризаторысвободно пропускают колебания, параллельные плоскости, которая называется плоскостью поляризатора, и полностью или частично задерживают колебания, перпендикулярные к этой плоскости. Поляризатор, задерживающий перпендикулярные к его плоскости колебания только частично, называется несовершенным. Просто поляризатором называется идеальный поляризатор, полностью задерживающий колебания, перпендикулярные к его плоскости, и не ослабляющий колебаний, параллельных плоскости.
|
|
|
На выходе из несовершенного поляризатора получается свет, в котором колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений. Такой свет называется частично поляризованным. Его можно рассматривать как смесь естественного и плоско поляризованного. Частично поляризованный свет, как и естественный, можно представить в виде наложения двух некогерентных плоско поляризованных электромагнитных волн с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний вектора напряженности электрического поля. В случае естественного света интенсивность этих волн одинакова, а в случае частично поляризованного - разная.
Если пропустить частично поляризованный свет через поляризатор, то при вращении поляризатора вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах от максимального Imax до минимального Imin значений. Изменение интенсивности от одного из этих значений к другому будет совершаться при повороте поляризатора на угол, равный /2, т.е. за один полный оборот два раза будет достигаться максимальное и два раза минимальное значение интенсивности. Величина
P = (Imax - Imin)/(Imax + Imin) ( 3 )
называется степенью поляризации. Для плоско поляризованного света Imin = 0 и Р=1; для естественного света Imax = Imin и Р = 0. Т.е. любой естественный луч света не поляризован. К эллиптически поляризованному свету понятие степени поляризации не применимо (у такого света колебания вектора напряженности электрического поля Е полностью упорядочены).
Пусть на поляризатор (см. рис.2) падает плоско поляризованный свет амплитуды а0 и интенсивности I0. Сквозь поляризатор пройдет составляющая колебания с амплитудой А = а0 соs, где - угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризатора. Следовательно, интенсивность прошедшего света I определяется выражением
|
|
|
I = I 0 соs2. - закон Малюса. (4)
Поставим на пути естественного луча два поляризатора, плоскости которых образуют угол. Из первого поляризатора выйдет плоско поляризованный свет, интенсивность которого I0 составляет половину интенсивности естественного света. Согласно закону Малюса из второго поляризатора выйдет свет интенсивности I 0 соs2. Т.о., интенсивность света, прошедшего через два поляризатора, равна
Рис. 2. Прохождение света через два поляризатора.
Максимальная, интенсивность, равная (1/2)Iест получается при =0 (поляризаторы параллельны). При = /2 интенсивность равна нулю - скрещенные поляризаторы света не пропускают.
В случае света, поляризованного по кругу, вращение поляризатора не сопровождается (как и в случае естественного света) изменением интенсивности света, прошедшего через поляризатор.
Явление двойного лучепреломления заключается в том, что упавшая на кристалл волна внутри кристалла разделяется на две волны, распространяющиеся в общем случае в различных направлениях, с различными скоростями и имеющие различную поляризацию. Это явление наблюдается лишь в анизотропных средах и возникает вследствие зависимости скорости света от направления светового вектора волны. У двоякопреломляю-щих веществ имеются одно или два направления, вдоль которых свет с любым направлением светового вектора распространяется с одной и той же скоростью. Эти направления называются оптическими осями. Для кристаллов с одной оптической осью (одноосных кристаллов) плоскость, проходящая через оптическую ось и световой луч, называется главной плоскостью. Скорость одной из волн в таких кристаллах не зависит от направления ее распространения. Эта волна называется обыкновенной, плоскость ее колебаний перпендикулярна главной плоскости. У другой волны, которая называется необыкновенной, световой вектор лежит в главной плоскости, а ее скорость зависит от направления распространения.Явление двойного лучепреломления в потоке заключается в том, что некоторые жидкости (например, оргавнческие вязкие жидкости с удлиненной формой молекул) при течении обнаруживают оптическую анизотропию.
|
|
|
