Теория явления

Электромагнитная волна может быть разложена (как теоретически, так и практически) на две поляризованные составляющие, например поляризованные вертикально и горизонтально. Возможны другие разложения, например по иной паре взаимно перпендикулярных направлений, или же на две составляющие, имеющие левую и правую круговую поляризацию. При попытке разложить линейно поляризованную волну по круговым поляризациям (или наоборот) возникнут две составляющие половинной интенсивности.Как с квантовой, так и с классической точки зрения, поляризация может быть описана двумерным комплексным вектором (вектором Джонса). Поляризация фотона является одной из реализаций q-бита. Свет солнца, являющийся тепловым излучением, не имеет поляризации, однако рассеянный свет неба приобретает частичную линейную поляризацию. Поляризация света меняется также при отражении. На этих фактах основаны применения поляризующих фильтров в фотографии и т. д.Линейную поляризацию имеет обычно излучение антенн.По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца.Если рассеянный свет поляризовать, то, используя поляризационный фильтр с иной поляризацией, можно ограничивать прохождение света. Интенсивность света прошедшего через поляризаторы подчиняется закону Малюса. На этом принципе работают жидкокристаллические экраны.

Некоторые живые существа[1], например пчёлы, способны различать линейную поляризацию света, что даёт им дополнительные возможности для ориентации в пространстве. Обнаружено, что некоторые животные, например креветка-богомол павлиновая способны различать циркулярно-поляризованный свет, то есть свет с круговой поляризацией.

60.Законы отражения и преломления плоской электромагнитной волны на границе двух диэлектриков.

Законы преломления электромагнитных волн

На границе раздела двух сред, кроме отраженной волны, возникает преломленная волна. Направление распространения преломленной волны не совпадает с направлением распространения падающей волны, однако между ними существует связь, определяемая законами преломления. 1. Преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, восстановленым в точке падения луча к границе раздела двух сред. 2. Отношение sin угла падения к sin угла преломления для данных двух сред есть величина постоянная, называемаяпоказателем преломления второй среды относительно первой, т.е. sinΘ1/sinΘ2 = n21 , где                                        (1) Θ1 - угол падения; Θ2 - угол преломления; n21 - показатель преломления второй среды относительно первой.

Показатель преломления данного вещества по отношнию к вакууму называется абсолютным показателем преломления этого вещества.

При сравнении двух сред та из них, которая имеет больший абсолютный показатель преломления, называется оптически более плотной.

Физическое содержание показателя преломления вытекает из волновой теории электромагнитных волн. Согласно этой теории, абсолютный показатель преломления ( n ) равен отношению скорости распространения волн в вакууме ( с ) к скорости распространения волны ( v ) в данной среде, т.е. n = c/v

Рассмотрим два частных случая преломления и отражения плоских электромагнитных волн на плоской границе раздела двух идеальных диэлектриков.

1. При падении волны из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду может наблюдаться явление полного внутреннего отражения. Формула второго закона преломления (1) показывает, что по мере увеличения угла падения Θ1увеличивается угол преломления Θ2. При некотором значении угла падения Θ10 угол преломления Θ2 = 90°. Следовательно, на основании закона преломления sin Θ10 = 1/n                                        (2)

Полное внутреннее отражение наблюдается в том случае, когда лучи падают на границу раздела под углом, большим предельного (Θ1 > Θ10). Наименьший угол падения, при котором наступает полное внутреннее отражение, называют предельным углом полного отражения (Θ10). Величина предельного угла падения определяется по формуле (2).

Для количественной оценки интенсивности преломления волны используется коэффициент прохождения. Коэффициентом прохождения называют величину, равную отношению интенсивностей преломленной и падающей волн.

В общем случае, как и коэффициент отражения, коэффициент прохождения зависит от угла падения, параметров сред, длины и поляризации волны.

2. При падении вертикально (нормально) поляризованной электромагнитной волны из оптически менее плотной среды на границу раздела с оптически более плотной средой можно указать такой угол падения Θ0, при котором отраженная волна отсутствует. Падающая волна после преломления на границе раздела двух идеальных диэлектриков переходит в оптически более плотную среду. Угол Θ0 называют углом Брюстера или углом полного преломления. Величина угла Θ10 определяется из соотношения tgΘ10 = n2/n1 = n12 , где                                        (3) n12 - относительный показатель преломления.

При падении падающей волны под углом Брюстера сумма углов отражения (Θ3 = Θ0) и преломления Θ2 равна π/2, т.е. Θ3 + Θ2 = π/2.

В оптике угол полного преломления называют также углом полной поляризации, потому что при падении произвольно поляризованной волны на границу раздела под углом Θ0 отраженная волна будет горизонтально поляризованной. Вертикально поляризованная компонента падающей волны, преломившись, полностью проходит во вторую среду.

67.Естественный и поляризованный свет. Типы поляризации. Поляризация при отражении и преломлении.

(1) Естественный и поляризованный свет

При изучении явлений интерференции и дифракции вопрос о том, являются световые волныпродольными 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).

В каждом отдельном случае (для каждого цуга волн) имеется та или иная ориентация векторов и  в пространстве по отношению к распространению (направления луча). Такаяасимметрия 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 называетсяполностью 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.

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, называютполяризаторами. 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 называютглавной плоскостью поляризатора (анализатора).

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.

(2)Типы поляризации