Поляризация света. Естественный и поляризованный свет

Лекция № 15

Естественный и поляризованный свет

Световые волны не обнаруживают асимметрии относительно направления распространения луча. Это обусловлено тем, что световая волна слагается из множества волн, испускаемых отдельными атомами. Плоскость колебания каждого атома ориентирована случайным образом. Поэтому в результирующей волне колебания различных направлений равновероятны.

Свет, в котором направления колебаний упорядочены каким-либо образом, называется поляризованным. Плоскость, в которой колеблется световой вектор, называется плоскостью поляризации. Если колебания светового вектора происходят в одной плоскости, то свет называется плоскополяризованным.

Плоскополяризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами. Эти приборы пропускают колебания параллельные одной плоскости, называемой плоскостью поляризатора, и задерживают колебания других плоскостей.

Пусть на поляризатор падает плоскополяризованный свет амплитуды и интенсивности .

Сквозь прибор пройдет составляющая колебания с амплитудой

,

где - угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризатора.

Следовательно, интенсивность прошедшего света определится выражением

- закон Малюса.

Свет, в котором колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений, называется частично поляризованным. Такой свет можно рассматривать как смесь естественного и плоскополяризованного.

Рассмотрим две когерентные плоскополяризованные световые волны, плоскости колебаний которых взаимно перпендикулярны. Уравнения их колебаний будут

,

,

где и - проекции светового вектора на оси координат.

Траектория результирующих колебаний представляет собой эллипс. Следовательно, и для нашего случая конец, светового вектора, изменяясь со временем, будет описывать эллипс. Такой свет называется эллиптически поляризованным.

При разности фаз кратной эллипс вырождается в прямую. При разности фаз кратной нечетному числу значений и равенстве амплитуд, складываемых волн, эллипс превращается в окружность.

В зависимости от направления вращения светового вектора различают правую и левую поляризацию. Если по отношению к направлению противоположному направлению луча световой вектор вращается по часовой стрелке, поляризация называется правой, в противном случае – левой.

Получение поляризованных лучей. Поляризация при отражении и преломлении.

При прохождении света через некоторые кристаллы удается пространственно разделить естественный луч на два поляризованных, выделить и исследовать каждый из них в отдельности. Этот способ и был исторически первым.

При прохождении света через некоторые кристаллы световой луч разделяется на два луча, один из которых удовлетворяет закону преломления и лежит в одной плоскости между падающим лучом и нормалью, а для другого – отношение не является постоянной величиной и зависит от угла падения.

Первый луч получил название обыкновенного, второй – необыкновенного, а явление – двойного преломления.

Примером таких кристаллов являются кристаллы исландского шпата. Возникающие при двойном лучепреломлении явления не могут быть разобраны методами лучевой оптики и требуют для своего понимания привлечения волновых представлений и знания всех диэлектрических характеристик данного материала.

В данном курсе мы ограничимся случаем одноосновных кристаллов, в которых имеется направление, вдоль которого обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются не разделяясь. Это направление называется оптической осью кристалла.

Плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла.

Исследование обыкновенного и необыкновенного лучей показывает, что плоскость колебаний обыкновенного луча перпендикулярна главному сечению кристалла. В необыкновенном луче колебания светового вектора совершаются в плоскости, совпадающей с главным сечением кристалла.

При прохождении через диэлектрик свет частично поглощается и его интенсивность уменьшается. В анизотропном кристалле поглощение зависит от ориентации плоскости поляризации, т.е. обыкновенный и необыкновенный лучи поглощаются в разной степени. Это явление носит название дихроизма. В кристалле турмалина дихроизм настолько сильно выражен, что необыкновенный луч практически полностью поглощается при толщине пластинки порядка . Естественный луч, падающий на пластинку турмалина, выходит из нее полностью поляризованным в одном направлении. Такая пластинка называется поляризатором.

Поляризатор изображают в виде пластинки со штриховкой параллельной плоскости колебаний электрического вектора.

Чтобы убедиться в том, что полученный луч поляризован, и выяснить направление поляризации, поставим на его пути вторую такую же поляризующую пластинку, называемую в этом случае анализатором.

Если плоскости пропускания поляризатора и анализатора параллельны друг другу, то поляри-зованный свет пройдет через анализатор, не сни-жая интенсивности.

Если же плоскости поляризатора и анализатора перпендикулярны друг другу, то анализатор полностью погасит падающий на него поляризованный луч.

Явление поляризации света имеет место и при отражении и преломлении света на границе двух диэлектриков. Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков не равен нулю, отраженный и преломленный лучи ока-зываются частично поляри-зованными: в отраженном луче преобладают колебания перпендикулярные плоскости падения, в преломленном – параллельные ей.

Степень поляризации зависит от угла падения.

При угле падения, определяемом из условия ( - показатель преломления второй среды относительно первой), отраженный луч полностью поляризован.

Это соотношение носит название закона Брюстера, а угол называется углом Брюстера или углом полной поляризации.

Физическая суть явлений, приводящих к поляризации отраженного и преломленного лучей, заключается в следующем. Предположим для простоты, что отражение и преломление происходит на границе диэлектрика с вакуумом. Падающая световая волна, проникнув в диэлектрик, заставляет входящие в состав атомов электрические заряды совершать вынужденные колебания. Колеблющиеся заряды излучают электромагнитные волны. Вне диэлектрика эти волны, налагаясь друг на друга, дают отраженную волну. Внутри его они складываются с падающей волной. Так как свет - это поперечные волны, то в отраженном луче колебания перпендикулярные плоскости падения будут преобладать над колебаниями иного типа.

В естественном падающем луче интенсивность колебаний различных направлений одинакова. Энергия этих колебаний распределяется между отраженной и преломленной волной. Поэтому, если в отраженном луче будет больше интенсивность колебаний одного направления, то в силу закона сохранения энергии в преломленном луче должна быть больше интенсивность колебаний другого направления. Отсюда следует, что преломленный луч также будет частично поляризован.

Поиск по сайту: