42)Поляризация света :

Естественный и поляризованный свет.

Естественный и поляризованный свет. Электромагнитная волна является поперечной. Колебания вектора напряженности электрического поля и вектора индукции магнитного поля в электромагнитной волне происходят в перпендикулярных к направлению распространения волны плоскостях. Направление вектора напряженности электрического поля определяет тип поляризации световой волны.

Если колебания вектора происходят в одной плоскости, такая волна называетсяплоскополяризованной или линейнополяризованной .Плоскость, проходящая через вектор и направление распространения волны, называется плоскостью колебаний.

Если конец вектора в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны, описывает эллипс или окружность, то свет соответственно называетсяэллиптически поляризованным или поляризованным по кругу.

Если конец вектора в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны, совершает беспорядочные колебания, то есть плоскость колебаний постоянно и беспорядочно меняется, то свет называетсяестественным или неполяризованным. Условно это можно изобразить так, как показано на рисунке, где стрелками показано направление колебаний вектора .

Как правило, естественные источники света (солнце, пламя свечи, электрическая лампа) излучают именно такие, неполяризованные электромагнитные волны. Излучение таких источников представлено в каждый момент времени из световых волн от огромного числа независимо излучающих атомов с различной поляризацией. Каждый атом излучает плоскополяpизованные волны, но плоскости их колебаний никак не согласованы между собой. Поэтому в результирующей волне вектор напряженности электрического поля беспорядочно изменяет свою ориентацию во времени, так что в среднем все направления колебаний оказываются равноправными.

Наконец, можно создать частично поляризованный свет, в котором не все плоскости колебаний одинаково представлены, а имеется некоторое преимущественное направление колебаний вектора Из рисунка видно, что вертикальные колебания соответствуют максимальной интенсивности, горизонтальные – минимальной. Частично поляризованный свет характеризуют степенью поляризации, которую определяют как

.

Для плоскополяризованного света ; для естественного света; для эллиптически поляризованного света понятие «степень поляризации» неприменимо.

В каждый момент времени вектор может быть спроектирован на две взаимно перпендикулярные оси

.

Это означает, что любую волну (поляризованную и неполяризованную) можно представить как суперпозицию двух плоскополяризованных во взаимно перпендикулярных направлениях волн. Но в поляризованной волне составляющие икогерентны, т.е. имеют постоянную разность фаз, а в неполяризованной – некогерентны, то есть разность фаз случайно меняется со временем.

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

Рассмотрим классические опыты с турмалином (рис. 273).

Рис. 273

 

Направим естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина Т₁, вырезанной параллельно так называемой оптической оси ОО' (см. § 192). Вращая кристалл Т₁ вокруг направления луча, никаких изменении 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 а между оптическими осями кристаллов по закону Малюса^*:

(190.1)

где I₀ и I - 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).

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 AB), 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 Е, 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 T₁ пропускает колебания, направленные по АВ, a T₂ 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 же и анализатор расположить положительно поляризатору, то интенсивность света не изменится.

Если пропустить естественный свет через два поляризатора, главные плоскости которых образуют угол а, то из первого выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого I₀ = 1/2I_ест из второго, согласно (190.1), выйдет свет интенсивностью I = I₀cos². Следовательно, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора,

откуда I_max = 1/2 I_ест (поляризаторы параллельны) и I_min = 0 (поляризаторы скрещены).

Закон Брюстера.

Если угол падения света на границу раздела двух прозрачных диэлектриков (например, на поверхность стеклянной пластинки) отличен от нуля, то отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения (плоскость рисунка). В преломленном луче - колебания, параллельные плоскости падения (см.рис.5). Поляризацию объясняет электромагнитная теория Максвелла.

Закон Брюстера: Отраженный свет полностью линейно поляризован при угле падения  _Бр , удовлетворяющем условию

tg _Бр=n₂/n₁ (7)

При этом преломленный свет поляризован не полностью и угол между отраженным и преломленным лучами равен 90.

ФРЕНЕЛЯ ФОРМУЛЫ- определяют отношения амплитуды, фазы и состояния поляризации отражённой и преломлённой световых волн, возникающих при прохождении света через границу раздела двух прозрачных диэлектриков, к соответствующим характеристикам падающей волны. Установлены О. Ж. Френелем в 1823 на основе представлений об упругих поперечных колебаниях эфира. Однако те же самые соотношения - Ф. ф.- следуют в результате строгого вывода из эл--магн. теории света при решении ур-ний Максвелла.

Пусть плоская световая волна падает на границу раздела двух сред с показателями преломления п₁ип₂(рис.). Углы j, j' и j'' есть соответственно углы падения, отражения и преломления, причём всегдаn₁sinj=n₂sinj'' (закон преломления) и |j|=|j'| (закон отражения). Амплитуду электрического вектора падающей волныАразложим на составляющую с амплитудойА_р, параллельную плоскости падения, и составляющую с амплитудойA_s, перпендикулярную плоскости падения. Аналогично разложим амплитуды отражённой волныRна составляющиеR_pиR_s, а преломлённой волныD- наD_pиD_s(на рис. показаны толькор-составляющие). Ф. ф. для этих амплитуд имеют вид