Естественный и поляризованный свет

Электромагнитные волны, как мы знаем, поперечны Вместе с тем световые волны обычно не обнаруживают асимметрии относительно направления распространения (луча). Это обусловлено тем, что в естественном свете имеются колебания, совершающиеся в самых различных направлениях, перпендикулярных к лучу(рис 105). Световая волна слагается из множества цугов волн, испускаемых отдельными атомами. Плоскость колебаний для каждого цуга ориентирована случайным образом. Поэтому в результирующей волне колебания различных направлений представлены с равной вероятностью. В естественном свете колебания различных направлений быстро и беспорядочно сменяют друг друга. Свет, в котором направления колебаний упорядочены каким-либо образом, называется поляризованным. Если колебания светового вектора происходят только в одной плоскости (рис. 106), свет называют плоско- (или прямолинейно-) поляризованным. Плоскость, в которой колеблется световой вектор (т. е. вектор напряженности электрического поля Е), мы будем называть плоскостью колебаний. По историческим причинам плоскостью поляризации была названа не плоскость, в которой колеблется вектор Е, а перпендикулярная к ней плоскость. Плоско-поляризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами. Эти приборы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости, которую мы будем называть плоскостью поляризатора , и полностью задерживают колебания, перпендикулярные к этой плоскости. Колебание амплитуды А, совершающееся в плоскости, образующей угол φ с плоскостью поляризатора, можно разложить на два колебания с амплитудами А_|| = A cos φ и =Asinφ (рис. 107; луч перпендикулярен к плоскости рисунка). Первое колебание пройдет через прибор, второе будет задержано. Интенсивность прошедшей волны пропорциональна A_||²=A2cos²φ, Т. е. равна Icos²φ, где I— интенсивность колебания с амплитудой А. Следовательно, колебание, параллельное плоскости поляризатора, несет с собой долю интенсивности, равную cos² ф. В естественном свете все значения φ равновероятны. Поэтому доля света, прошедшего через поляризатор, будет равна среднему значению cos²φ, т. е. 1/2- При вращении поляризатора вокруг направления естественного луча интенсивность прошедшего света остается одной и той же, изменяется лишь ориентация плоскости колебаний света, выходящего из прибора. Пусть на поляризатор падает плоско-поляризованный свет амплитуды A₀ и интенсивности I₀ (рис. 108). Сквозь прибор пройдет составляющая колебания с амплитудой А=A₀cosφ, где φ — угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризатора. Следовательно, интенсивность прошедшего света I определяется выражением: I=I₀cos²φ; Соотношение носит название закона Малюса. Поставим на пути естественного луча два поляризатора, плоскости которых образуют угол φ. Из первого поляризатора выйдет плоско-поляризованный свет, интенсивность которого I₀ составит половину интенсивности естественного света Iест- Согласно закону Малюса из второго поляризатора выйдет свет интенсивности I₀cos^2φ. Таким образом, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора, равна I=1/2(Iест*cos²φ). Максимальная интенсивность, равняя 1/2Iест получается при φ=0 (поляризаторы параллельны). При φ= π/2 интенсивность равна нулю — скрещенные поляризаторы света не пропускают. Свет, в котором колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений, называется частично поляризованным. Такой свет можно рассматривать как смесь естественного и плоскополяризованного. Если пропустить частично поляризованный свет через поляризатор, то при вращении прибора вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах от Imax до Imin, причем переход от одного из этих значений к другому будет совершаться при повороте на угол φ = π/2 (за один полный поворот два раза будет достигаться максимальное и два раза минимальное значение интенсивности). Степенью поляризации называют выражение: P=(Imax-Imin)/(Imax+Imin) Для плоско-поляризованного света Imin = 0 и Р = 1; для естественного света Imax = Imin и Р = 0. Рассмотрим две когерентные плоско-пoляризованные световые волны, плоскости колебаний которых взаимно перпендикулярны. Пусть колебания в одной волне совершаются вдоль оси х (рис. 109), во второй — вдоль оси у (оси х и у лежат в перпендикулярной к лучу плоскости). Проекции световых векторов этих волн на соответствующие оси изменяются по закону:

Величины Ех и Еу представляют собой координаты конца результирующего светового вектора Е (см. рис. 109). Из учения о механических колебаниях мы знаем, что два взаимно перпендикулярных гармонических колебания одинаковой частоты при сложении дают в общем случае движение по эллипсу (в частности может получиться движение по прямой или по окружности). Аналогично, точка с координатами, т. е. конец вектора Е, движется пo эллипсу. Следовательно, две когерентные плоскополяризованные световые волны, плоскости колебаний которых взаимно перпендикулярны, при наложении друг на друга дают волну, в которой световой вектор (вектор Е) изменяется со временем так, что конец его описывает эллипс. Такой свет называется эллиптически поляризованным. При разности фаз α, кратной π, эллипс вырождается в прямую и получается плоскополяризованный свет. При разности фаз, равной нечетному числу π/2, и равенстве амплитуд складываемых волн эллипс превращается в окружность. В этом случае получается свет, поляризованный по кругу. Заметим, что частично поляризованный и естественный свет также можно представить как наложение двухплоскополяризованных волн с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. Однако эти волны не когерентны, значение а в все время меняется, вследствие чего направление результирующего вектора Е изменяется беспорядочным образом. В случае естественного света амплитуды складываемых волн должны быть одинаковыми, в случае частично поляризованного света — разными. В зависимости от направления вращения вектора Е различают правую и левую эллиптическую и круговую поляризацию. Если по отношению к направлению, противоположному направлению луча, вектор Е вращается по часовой стрелке, поляризация называется правой, в противном случае — левой. Пусть эллиптически поляризованный свет падает на поляризатор. Прибор пропускает составляющую Е_|| вектора Е по направлению плоскости поляризатора (рис. 110). Максимальное значение этой составляющей достигается в точках 1 и 2. Следовательно, амплитуда вышедшего из прибора плоскополяризованного света равна длине отрезка 01'. Вращая поляризатор вокруг направления луча, мы будем наблюдать изменения интенсивности в пределах от Imax (получающейся при совпадении плоскости поляризатора с большой полуосью эллипса) до Imin (получающейся при совпадении плоскости поляризатора с малой полуосью эллипса). Такой же характер изменения интенсивности света при вращении поляризатора получается в случае частично поляризованного света. В случае света, поляризованного по кругу, вращение поляризатора не сопровождается (как и в случае естественного света) изменением интенсивности света, прошедшего через прибор.

8.

Вектор Умова-Пойнтинга для излучения. Плотность энергии электрического поля E² / 2 , а магнитного - w_m = μ H² / 2. Подстановка в эти выражения соотношения (1) приводит к тому, что электрическая и магнитная составляющие волны создают в одном и том же месте пространства равные значения плотности энергии: w_e = w_m .Принимая во внимание, что значительное количество наблюдаемых в оптике эффектов связано с электрическим вектором, целесообразно представить полное значение плотности энергии электромагнитной волны как: E²= EH / v; Доля энергии ΔW , переносимой волной электромагнитного излучения через площадкуΔA , перпендикулярную направлению распространения волны за время Δt равна произведению плотности энергии волны wна величину объема ΔV пространства, пройденного волной со скоростью v за это время: ΔW = vw(δV),а плотность мощности P , переносимой через поперечное сечение потока энергии равняется P = ΔW / (ΔAΔt) = EH. Или x E²

Это является выражением для модуля вектора Умова-Пойнтинга: = x

Поскольку для данной точки пространства напряжённость поля меняется по закону косинуса, а любой детектор воспринимает только усреднённое по времени значение модуля вектора , то плотность мощности , воспринимаемой приёмником будет равна полной энергии, полученной за время измерения, делённоё на время измерения, т.е.усреднённой за период колебаний мощности:

= vE²(z) = vE²(z) / 2

На своем опыте человечество, не сознавая этого, неоднократно встречалась с непосредственным проявлением упомянутого выше явления механического воздействия потока излучения в виде "хвостатых звёзд" - комет, шлейф которых вызван явлением "солнечного ветра"