Поляризация света: основные понятия

Что такое поляризация света

Термин поляризации дает оценку поперечных волн. Представляет состояние вектора колеблющейся величины в плоскости, поперечной направленности распространения волны.

Поляризация прослеживается лишь на поперечных волнах.

Если тенденции колебаний светового вектора упорядочены, то освещение именуется поляризованным.

Колебания одинаковой частоты электромагнитных излучений могут иметь поляризирование:

• Линейную. Она перпендикулярно направлена распространению волны.
• Круговую. В связи с тенденцией верчения вектора индукции, поляризация правая либо левая.
• Эллиптическую. Возникает в промежутке с круговой и линейной поляризациями.

Поляризация света доказывает, что свет это поперечная волна. То есть, речь идет о поляризации электромагнитных волн в целом, а свет – это одна из разновидностей, свойства которой подчиняются общим правилам.

Поляризацией называют свойство поперечных волн, вектор колебания которых всегда перпендикулярен направлению распространения света или чего-то еще. То есть, если выделить из света лучи с одинаковой поляризацией вектора, то это и будет явление поляризации.

Чаще всего мы видим вокруг себя неполяризованный свет, так как у него вектор напряженности двигается во всех возможных направлениях. Чтобы он стал поляризованным, его пропускают через анизотропную среду, она отсекает все колебания и оставляет только одно.

Кто открыл явление и что оно доказывает

В первый раз эксперименты согласно поляризации света поставлены в 1690 г Гюйгенсом (голландский ученый). Суть эксперимента в том, что ученый пропустил через исландский шпат световое излучение. При этом происходит поперечная анизотропия луча.

Данное проявление получило название парное лучепреломление. Если кристаллик вращать сравнительно тенденции начальной полупрямой, так крутятся тот и другой луч при выходе из кристалла.

В 1809 г. французский инженер Малюс Э. открывает закон, после названный в его честь. В его экспериментах освещение поочередно пропускается посредством двух одинаковых пластин турмалина. Сияние направлялось вертикально плоскости кристалла турмалина, вырезанного параллельно зрительной оси. Если луч на своем пути встречает два препятствия в виде кристаллов турмалина, то насыщенность прошедшего луча, изменяется от альфа угла между осями по закону Малюса и выражается:

I = I0cos2φ

Шотландский физик Никол Уильям изобрел в 1828 году поляризатор. Это прибор для получения линейно-поляризованного света (призма Никола). Через одиннадцать лет осуществил совмещение таких призм в единый прибор, что широко применяется и сегодня.

Виды поляризации света

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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).

У значительной части кристаллов поглощение света кардинально зависимо от направления электрического вектора в световой волне. Такое явление носит название дихроизма.

Пример

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.

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

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.

Откуда берется

Световой поток, который попадает в наше окружение, в основном неполяризован. Излучение от солнца, лампочек – свет, где вектор колеблется в разных направлениях. Если работа за компьютером и монитор жидкокристаллический, то в нем поляризованный источник.

Чтобы видеть поляризованный свет, надо естественный поток пропустить через анизотропную сферу. Она и есть поляризатор, который отрезает ненужные направления колебаний, сохраняя одно.

Анизотропная сфера – среда, которая обладает различными свойствами в зависимости от направленности внутри нее.

В числе поляризаторов применяются кристаллы. Одним из природных, часто применяемых – турмалин.

Еще методом извлечения поляризованного потока излучения является отражение с диэлектрика. Если луч опускается в рубеж области 2-ух сфер, поток делится на отображенный и надломленный. Лучи получаются отчасти поляризованными, при этом степень поляризации находится в зависимости от угла падения.

Как ее получить самостоятельно

Большая часть света, который мы видим, не поляризована. Солнце, искусственное освещение – световой поток с вектором, колеблющимся в разных направлениях, распространяется во все стороны без каких-либо ограничений.

Поляризованный свет появляется после того, как он прошел через анизотропную среду, которая может иметь разные свойства. Эта среда убирает большую часть колебаний, оставляя единственное, что и обеспечивает нужный эффект.

Чаще всего в качестве поляризатора выступают кристаллы. Если раньше применялись в основном природные материалы (например, турмалин), то сейчас есть много вариантов искусственного происхождения.

Также поляризованный свет можно получить за счет отражения от любого диэлектрика. Суть заключается в том, что при попадании светового потока в место соединения двух сред он преломляется. Это несложно увидеть, поместив карандаш или трубочку в стакан с водой.

Этот принцип используется в поляризационных микроскопах.

При явлении преломления света часть лучей поляризуется. Степень проявления этого эффекта зависит от расположения источника света и угла его падения относительно места преломления.

Что касается способов получения поляризованного света, то независимо от условий используется один из трех вариантов:

1. Призма Николя. Названа в честь шотландского исследователя Николя Уильяма, который изобрел ее в 1828 году. Он проводил эксперименты длительное время и через 11 лет смог получить готовый прибор, который в неизменном виде применяется до сих пор.
2. Отражение от диэлектрика. Тут очень важно подобрать оптимальный угол падения и учитывать степень преломления (чем больше разница в светопропускаемости двух сред, тем сильнее преломляются лучи).
3. Использование анизотропной среды. Чаще всего для этого подбирают кристаллы с подходящими свойствами. Если направить на них световой поток, на выходе можно наблюдать его параллельное разделение.

Явление поляризации света в природе

Поляризованный свет является световыми волнами, чьи электромагнитные колебания способны распространяться исключительно в одном направлении. В природе различают только три вида поляризации:

• линейную (плоскостную);
• круговую;
• эллиптическую.

При линейно поляризованном свете электрические колебания будут производиться исключительно в одном направлении. Он появляется при отражении, от листа стекла, например, или от поверхности воды. Также известны примеры с прохождением света через определенные виды кристаллов (турмалин, кварц).

Поляризация света, таким образом, превращается в процесс упорядочивания колебаний вектора напряжённости электрополя световой волны в условиях прохождения светового потока сквозь некоторые вещества (преломление или отражение светового луча). Плоскость поляризации, в таком случае, будет представлять собой плоскость, которая проходит сквозь направление колебаний вектора света плоскополяризованной волны и ее распространения.

Излучаемый атомом квант света будет поляризован всегда. При этом, излучение макроскопического источника света, такого как Солнце, электрическая лампа или свеча, окажется суммой излучений огромного количества атомов, каждый из которых будет излучать квант приблизительно за 10-8 секунды. В таком случае, при излучении всеми атомами света с не одинаковой поляризацией, поляризация всего пучка будет подвергаться изменениям на протяжении аналогичных временных промежутков.

По этой причине, в рамках естественного света, абсолютно все связанные с поляризацией эффекты усредняются, поэтому он называется неполяризованным.

С целью выделения из неполяризованного света части, имеющей желаемую поляризацию, применяются поляризаторы, например, такие, как, турмалин, исландский шпат или поляризаторы искусственного типа.

Также в физике существует такое понятие, как поляризационный свет. Он получается следующими способами:

• за счет отражения от диэлектриков, степень поляризации при этом будет зависеть от показателя преломления и угла падения лучей;
• посредством пропускания света через анизотропную среду.

Все прозрачные кристаллы (исключая оптически изотропные кристаллы кубической системы) обладают свойством двойного лучепреломления, иными словами, – могут раздваиваться в отношении каждого светового пучка, падающего на них. Так, при направлении на толстый кристалл исландского шпата узкого пучка света, из кристалла выйдут два параллельных и пространственно разделенных луча.

Поляризация света при отражении

В повседневной жизни мы постоянно наблюдаем прохождение света через стеклопакеты. Мы видим, что обычно свет попадает в стекло и отражается от его поверхности одновременно. Однако оказалось, что при правильном выборе источника света и угла наклона свет может вообще не отражаться. Это определяется поляризацией световой волны.

Предположим, что луч поляризованного света падает на поверхность двух сред под углом α ≠ 0⁰. Плоскость, содержащая падающий луч и нормаль, называется плоскостью падения. На рисунке 8 эта плоскость обозначена синим цветом.

Когда мы рассматриваем падение поляризованного света на поверхность, то должны различать два основных случая. Они показаны на рис. 8. В обоих случаях луч света движется по прямой линии x:

• a. Электрическое поле (красные векторы) электромагнитной волны перпендикулярно плоскости падения (синяя плоскость),
• b. Электрическое поле E гармонической электромагнитной волны параллельно плоскости падения (красные векторы лежат на синей плоскости). Затем это поле образует угол α с границей среды. Этот угол также лежит в плоскости падения (синяя плоскость).

Рис. 8. Волна, падающая на поверхность

Было исследовано, как зависит величина электрического поля отраженного света от угла падения для вещества с показателем преломления n в этих ситуациях. На рис. 9 показано отношение величины амплитуды электрического поля отраженного света к амплитуде падающего света E0 при прохождении света из воздуха в среду с показателем преломления n=1,5 в зависимости от угла падения. Таким материалом является, например, стекло.

Рис. 9. Отношение величины амплитуды электрического поля отраженного света к амплитуде падающего света в зависимости от угла падения.

a. Синяя кривая соответствует поляризации (a) на рис. 8. Для перпендикулярного падения, т.е. α = 0⁰, отношение E/E0 равно 0,2. По мере увеличения угла α увеличивается величина E/E0. Это означает, что все большая часть падающего света отражается, а не преломляется. Отношение E/E0 достигает 1 при значениях угла α, приближающихся к 90°. Тогда весь свет отражается.

b. Красная кривая соответствует поляризации (b) на рис. 8. Для α = 0⁰, т.е. света, падающего перпендикулярно поверхности, отношение E/E0 равно 0,2. Тогда нет никакой разницы между случаем (a) и случаем (b). По мере увеличения угла α величина E/E0 первоначально вообще не увеличивается, а наоборот уменьшается. Свет отражается все меньше и меньше. Величина E/E0 достигает нуля для определенного угла. Этот угол αB называется углом Брюстера. Он зависит от показателя преломления вещества. Для n = 1,5 он равен αB= 56,3°. Для углов, превышающих αB, отношение E/E0 увеличивается и приближается к единице при значениях угла α, приближающихся к 90°. Тогда весь свет ведет себя как в случае (a).

Угол Брюстера удовлетворяет простому соотношению tg αB = n .

Полная поляризация света при отражении

Рассмотрим далее, что произойдет, если неполяризованный свет, например, от обычной лампочки, будет падать на стекло под углом Брюстера. Такая волна может быть разложена на две поляризованные волны с перпендикулярными направлениями электрического поля, одна типа (a) и другая типа (b).

Каждая волна может быть разложена на две поляризованные волны с произвольно выбранными перпендикулярными направлениями электрического поля. Это вытекает из простого факта: каждый вектор на плоскости может быть представлен как сумма двух векторов, перпендикулярных друг другу (рис. 10). Это справедливо как для поляризованной, так и для неполяризованной волны.

Рис. 10. Разложение вектора электрического поля на два перпендикулярных направления

В случае неполяризованной волны, когда мы разложим ее на составляющие, окажется, что волна (a) будет частично отражена (синяя кривая на рис. 9.), а волна (b) не будет отражена вообще, но полностью проникнет в стекло (красная кривая на рис. 9.). Таким образом, отраженный свет будет содержать только один компонент, т.е. он будет полностью поляризован, с направлением электрического поля, как на рис. 2a.

Частичная поляризация света при отражении

Для всех углов α, отличных от αB, в отраженном свете присутствуют обе составляющие: (a) и (b). За исключением α = 0⁰ и α до 90°, компонент (a) в среднем имеет большее значение, чем компонент (b). При вращении поляризатора наблюдаемая интенсивность света изменяется. Для некоторых углов это самый высокий угол, а для других — самый низкий. Однако полного исчезновения интенсивности света не наблюдается. График интенсивности света в зависимости от угла, на который был повернут поляризатор, показан на рис. 11.

Рис. 11. График интенсивности света в зависимости от угла, под которым установлен поляризатор, для углов падения, отличных от угла Брюстера

Мы называем такой свет частично поляризованным.

Поляризация света кристаллом

Обычные диэлектрики анизотропны и особенности света при попадании на них зависят главным образом от угла падения. Свойства кристаллов отличаются, при попадании на них света можно наблюдать эффект двойного преломления лучей. Это проявляется так: при прохождении через структуру образуется два преломленных луча, которые идут в разных направлениях, их скорости также различаются.

Чаще всего в экспериментах используют одноосные кристаллы. В них один из пучков преломления подчиняется стандартным законам и именуется обыкновенным. Второй образуется иначе, его называют необыкновенным, так как особенности его преломления не соответствуют обычным канонам.

Так выглядит двойное лучепреломление на схеме.

Если вращать кристалл, то обыкновенный луч останется неизменным, а необыкновенный будет перемещаться по окружности. Чаще всего в экспериментах используют кальцит или исландский шпат, так как они хорошо подходят для исследований.

Кстати! Если посмотреть на окружающую обстановку через кристалл, то очертания всех объектов будут раздваиваться.

На основании экспериментов с кристаллами Этьен Луи Малюс сформулировал закон в 1810 году, который получил его имя. Он вывел четкую зависимость линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор, сделанный на основе кристаллов. Интенсивность луча после прохождения кристалла уменьшается пропорционально квадрату косинуса угла, образованного между плоскостью поляризации входящего луча и фильтра.

Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков

Данное оптическое явление было открыто физиком из Шотландии Дэвидом Брюстером в 1815 году. Выведенный им закон показал взаимосвязь показателей у двух диэлектриков при определенном угле падения света. Если подобрать условия, то отраженные от границы стыка двух сред лучи будут поляризованными в перпендикулярной углу падения плоскости.

Иллюстрация закона Брюстера.

Исследователь отметил, что преломленный луч частично поляризуется и в плоскости падения. При этом отражается не весь свет, часть его уходит в преломленный луч. Углом Брюстера называют такой угол, при котором отраженный свет полностью поляризуется. При этом отраженный и преломленный лучи перпендикулярны относительно друг друга.

Чтобы понять причину этого явления, надо знать следующее:

1. В любой электромагнитной волне колебания электрического поля всегда перпендикулярны направлению ее движения.
2. Процесс делится на две стадии. В первой падающая волна вызывает волнение молекул диэлектрика, во второй появляются преломленные и отраженные волны.

Если использовать в эксперименте одну пластику кварца или другого подходящего минерала, интенсивность плоскополяризованного света будет маленькой (порядка 4% от общей интенсивности). Но если использовать стопку пластин, можно добиться существенного увеличения показателей.

Кстати! Закон Брюстера можно вывести и с использованием формул Френеля.

Практическое применение поляризации света

Рассматриваемое явление используется в повседневной жизни намного чаще, чем кажется. Знание законов распространения электромагнитных волн помогло в создании различного оборудования. Основные варианты таковы:

1. Специальные поляризационные фильтры для фотоаппаратов позволяют избавиться от бликов при фотосъемке.
2. Очки с таким эффектом часто используют водители, так как они убирают блики от фар встречного транспорта. В результате даже дальний свет не может ослепить водителя, что повышает безопасность.
   Отсутствие бликов объясняется эффектом поляризации.
3. Оборудование, применяемое в геофизике позволяет изучить свойства облачных масс. Также с его помощью изучают особенности поляризации солнечного света при прохождении через облака.
4. Специальные установки, фотографирующие космические туманности в поляризованном свете помогают изучать особенности возникающих там магнитных полей.
5. В машиностроительной отрасли применяют так называемый фотоупругий метод. С его помощью можно четко определить параметры напряжения, возникающие в узлах и деталях.
6. Оборудование используется при создании театральных декораций, а также в концертном оформлении. Еще одна сфера применения – витрины и выставочные стенды.
7. Приспособления, определяющие уровень сахара в крови человека. Работают за счет определения угла поворота плоскости поляризации.
8. На многих предприятиях пищевой промышленности используют оборудование, способное определять концентрацию того или иного раствора. Также есть приспособления, способные за счет применения свойств поляризации контролировать содержание белков, сахаров и органических кислот.
9. 3D-кинематография работает именно за счет использования рассматриваемого в статье явления.