Поляризация света

Поляризация света

Начало XIX века для физики ознаменовалось развитием волновой теории света, которым занимались ученые Т. Юнг и О. Френель. В то время природа световых волн оставалась неизвестной. Изначально предполагалось, что свет является распространяющимися в некоторой гипотетической среде – эфире продольными волнами. Однако в процессе изучения явлений дифракции и интерференции вопрос о том, продольные или поперечные световые волны, стал второстепенен. На тот момент казалось невозможным, что свет – это поперечные волны, по той причине, что по аналогии с механическими волнами пришлось бы признать эфир твердым телом, ведь поперечные механические волны не обладают возможностью распространяться в газообразной или же жидкой среде.

Несмотря ни на что, постепенно копились свидетельствующие в пользу поперечности световых волн экспериментально полученные факты.

Определение 1 (Слайд 2)

Еще в конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата (CaCO3) обладает свойством, позволяющим ему раздваивать проходящие сквозь него лучи. Данное явление было названо двойным лучепреломлением.

Определение 2

Поляризация света - это явление выделения из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.

Как же получить поляризованный свет?

Определение 3 (Слайд 3)

Французским инженером Э. Малюсом в 1809 году был открыт названный в его честь закон. В экспериментах Малюса свет последовательно пропускался сквозь пару одинаковых пластинок из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватого оттенка). Они могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ.

Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2 φ: 

I~cos² φ.

Двойное лучепреломление точно также, как и закон Малюса не может быть объяснено с точки зрения теории продольных волн. Для продольных волн направление распространения луча представляет собой ось симметрии. В них любые направления в плоскости, нормальной, то есть перпендикулярной, лучу, равноправны.

Пример 1 (Слайд 4)

В поперечной волне, к примеру, в бегущей по резиновому жгуту волне, направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны.

Выходит, что асимметрия относительно направления распространения луча – это решающий признак, отличающий поперечную и продольную волны. Первым высказал догадку о поперечности световых волн Т. Юнг в 1816 году. Независимо от Юнга Френель тоже выдвинул концепцию поперечности световых волн, и даже смог обосновать ее с помощью большого количества опытов. Им была создана теория двойного лучепреломления света в кристаллах.

В середине 60-х годов XIX века Максвелл, взяв за основу совпадение известных значений скоростей распространения света и электромагнитных волн, сделал вывод о природе света. Ученый решил, что свет – это частный случай электромагнитных волн. К тому времени экспериментальным путем была подтверждена поперечность световых волн. По этой причине Максвелл предположил, что она является еще одним важным аргументом в пользу его выводов насчет электромагнитной природы света.

Пропала необходимость во введении особой среды распространения волн – эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело. Благодаря этому электромагнитная теория света приобрела должную стройность.

(Слайд 5) В условиях электромагнитной волны вектора →E и →B направлены перпендикулярно друг к другу и находятся в плоскости, которая перпендикулярна направлению распространения волны плоскости.

Определение 4

В каждом из процессов взаимодействия света с веществом электрический вектор →E играет основную роль. По данной причине его называют световым вектором.

Виды поляризации света

Определение 5

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.

Определение 6 (Слайд 6)

Плоскость, в которой колеблется световой вектор →E, носит название плоскости колебаний, а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор →B, является плоскостью поляризации.

Определение 7 (Слайд 7)

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.

Определение 8

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.

Определение 9

Волна, обладающая круговой поляризацией (ax=ay, Δφ=±π²) представляет собой частный случай эллиптически поляризованной волны.

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. 

Определение 10 (Слайд 8)

Неполяризованный свет также называют естественным светом.

В любой момент времени вектор →E может быть спроецирован на две взаимно перпендикулярные оси.

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 (Слайд 9). Два луча на выходе кристалла линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях.

Определение 11

Кристаллы, в которых происходит двойное лучепреломление, называются анизотропными.

Прибегая к разложению вектора →E на составляющие по осям, можно объяснить закон Малюса (Слайд 10).

Определение 12

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

Пример 2

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 и частично пропускает вторую волну.

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.

Определение 14

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.