Поперечность световой волны и поляризация света

Из уравнений Максвелла (1.1) можно определить взаимную пространственную ориентацию векторов поля плоской световой волны. Векторы напряженности электрического ( ) и магнитного ()полей плоской гармонической (монохроматической) волны, распространяющейся в однородной среде или вакууме в произвольном направлении (), взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую тройку. Если, например, плоская волна распространяется вдоль оси x (рис.1.1), то компоненты полей в направлении распространения волны отсутствуют, т.е. E_x = Н_x = 0. Такая поперечность световой волны лишает ее осевой симметрии относительно волнового вектора из-за наличия выделенных направлений и в плоскости, перпендикулярной .

Для продольных волн, например, акустических, все направления, перпендикулярные линии распространения волн, эквивалентны. Для поперечных электромагнитных волн такой эквивалентности нет, т. к. свойства волн зависят от ориентации векторов напряженностей электрического и магнитного полей. Такая поперечная анизотропия электромагнитных световых волн характеризуется важной характеристикой оптического излучения - поляризацией. Поляризацию световой волны обычно связывают с ориентацией вектора . Предпочтение, которое отдается вектору напряженности электрического поля, связано с тем, что сила, действующая со стороны светового поля на электрический заряд, равна , и в нерелятивистском приближении (υ << с) действие магнитного поля много слабее, чем действие электрического.

Как ведет себя ветор по мере распространения плоской гармонической волны? Для ответа на этот вопрос определим траекторию движения конца вектора . Если плоская волна распространяется вдоль оси x (рис.1.1), то в общем случае у нее отличны от нуля компоненты Е _y и Е_z, каждая их которых изменяется по гармоническому закону:

Введем вспомогательное обозначение j = wt – kx и преобразуем последние выражения следующим образом:

Возводя в квадрат правые и левые части этих уравнений и складывая почленно, найдем

(1.6)

Уравнение (1.6) является уравнением эллипса. Эллипс вписан в прямоугольник, стороны которого параллельны осям y, z и имеют длины 2 Е_0y и 2 Е_{0 z} (рис.1.2, а).

Рис.1.2. Состояния поляризации плоской гармонической

волны

Таким образом, в общем случае при распространении плоской гармонической волны конец вектора в плоскости x = const описывает эллипс. Аналогично ведет себя и вектор напряженности магнитного поля. Такая волна называется эллиптически поляризованной.

В частном случае разность фаз может оказаться равной d = mp, где m = 0, ± 1, ± 2,…, тогда эллипс вырождается в прямую, описываемую уравнением

Если Е_0y = Е_0z и d = (2 m + 1) p / 2, где m = 0, ± 1, ± 2,…, то эллипс вырождается в окружность, а поляризация называется круговой (циркулярной). Поляризацию света принято называть правой, если вектор совершает вращение по часовой стрелке, и левой – при вращении вектора против часовой стрелки при наблюдении навстречу световому лучу. Аналогичная терминология используется и для эллиптической поляризации.

Итак, монохроматическая волна всегда поляризована. Направлением (вектором) поляризации принято называть направление вектора . В случае линейной поляризации плоскость поляризации определяется как плоскость, в которой лежат вектор и волновой вектор .

Первые указания на поперечную анизотропию светового луча были получены в 1690 г. Х. Гюйгенсом при опытах с кристаллами исландского шпата. Само понятие «поляризации света» было введено в оптику в 1704 г. И. Ньютоном, ошибочно полагавшим наличие у луча света «сторон». Объяснение поляризации света было получено в электромагнитной теории, позднее – в квантовой электродинамике.

Поиск по сайту: