Поперечность световых волн. Поляризация света

Явления интерференции и дифракции света подтверждают его волновую природу. В начале XIX века, Т. Юнг и О. Френель создав волновую теорию света, считали световые волны продольными, т.е. подобными звуковым волнам. Для этого им пришлось ввести некую гипотетическую среду, названную эфиром, в которой и происходило распространение продольных световых волн. В то время казалось невероятным, что свет – это поперечные волны, так как по аналогии с механическими волнами пришлось бы предполагать, что эфир – это твердое тело (поперечные механические волны не могут распространяться в газообразной или жидкой среде). Однако уже в то время существовали факты, противоречащие продольности световых волн.

Еще в средние века моряки привозили из Исландии необычные прозрачные камни, которые позже назвали исландским шпатом. Необычность их заключалась в том, что если кусочек исландского шпата положить на какую-либо надпись, то сквозь него надпись будет видеться раздвоенной.

Рис. 2.6.1.

В 1669 году датский ученый Бартолин сообщил интересные результаты своих опытов с кристаллами исландского шпата. При прохождении сквозь такой кристалл луч расщепляется на два (рис. 2.6.1). Эти лучи получили названия обыкновенный луч и необыкновенный луч, а само явление - двойное лучепреломление.

Обыкновенный луч подчиняется обычному закону преломления, а необыкновенный луч не подчиняется этому закону. Лучи раздваивались даже при их нормальном падении на кристалл исландского шпата. Если кристалл поворачивать относительно направления первоначального луча, то поворачиваются оба луча, прошедшие сквозь кристалл. Бартолин обнаружил также, что в кристалле существует некоторое направление, вдоль которого падающий луч не раздваивается. Однако объяснения этим явлениям он дать не мог.

Несколько лет спустя это открытие Бартолина привлекло к себе внимание Гюйгенса, который вводит понятие оптической оси кристалла (Бартолин фактически ее открыл).

Оптической осью кристалла называется выделенное направление в кристалле, вдоль которого обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются не разделяясь.

Рис. 2.6.2.

В 1809 году французский инженер Э. Малюс провел опыт с кристаллами турмалина (прозрачными кристаллами зеленоватой окраски). В этом опыте свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина. Если вторую пластинку поворачивать относительно первой, то интенсивность света, прошедшего через вторую пластинку изменялась от максимального значения до нуля (рис. 2.6.2). Зависимость интенсивности света I от угла j между оптическими осями обеих пластинок имеет вид:

(закон Малюса), (2.6.1)

где I ₀ – интенсивность падающего света.

Рис. 2.6.3 а. Рис. 2.6.3 б.

Ни двойное лучепреломление, ни закон Малюса не могут найти объяснение в рамках теории продольных световых волн. Для продольных волн направление распространения луча является осью симметрии. В продольной волне все направления в плоскости, перпендикулярной лучу, равноправны.

Чтобы понять, как ведет себя поперечная волна, рассмотрим волну, бегущую по шнуру в вертикальной плоскости. Если на пути этой волны поставить ящик с вертикальной щелью (рис. 2.6.3 а), то волна свободно проходит через щель. В случае если щель в ящике расположена горизонтально, то волна сквозь нее уже не проходит (рис. 2.6.3 б). Такая волна называется также плоско-поляризованной, т.к. колебания в ней происходят в одной (вертикальной) плоскости.

Опыты с кристаллами исландского шпата и турмалина позволили доказать, что световая волна является поперечной. Впервые догадку о поперечности световых волн высказал Т. Юнг (1816 г.). Френель, независимо от Юнга, также выдвинул концепцию поперечности световых волн, обосновал ее многочисленными экспериментами и создал теорию двойного лучепреломления света в кристаллах.

В середине 60-х годов XIX века Максвелл пришел к выводу о том, что свет – это электромагнитная волна. Этот вывод был сделан на основе совпадения скорости распространения электромагнитных волн, которая получается из теории Максвелла, с известным значением скорости света. К тому времени, когда Максвелл сделал вывод о существовании электромагнитных волн, поперечность световых волн уже была доказано экспериментально. Поэтому Максвелл полагал, что поперечность электромагнитных волн является еще одним важнейшим доказательством электромагнитной природы света.

В электромагнитной теории света исчезли также затруднения, связанные с необходимостью введения особой среды распространения волн – эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело.

В электромагнитной волне вектора и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Принято плоскость, в которой колеблется вектор , называть плоскостью колебаний, а плоскость, в которой происходят колебания вектора , плоскостью поляризации. Поскольку во всех процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет вектор напряженности электрического поля , то его называют световым вектором. Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, такая волна называется линейно-поляризованной или плоско-поляризованной.

Линейно-поляризованный свет испускается лазерами. Однако, свет, испускаемый обычными источниками (например, солнечный свет, излучение ламп накаливания и т. п.), не поляризован. Это связано с тем, что атомы излучают свет отдельным цугами независимо друг от друга. В результате чего вектор в результирующей световой волне беспорядочно изменяет свою ориентацию во времени, так что в среднем все направления колебаний оказываются равноправными.

Световая волна, у которой направления колебаний светового вектора, хаотически меняются во времени, называется естественным или неполяризованным светом.

Естественный свет, пройдя через кристалл исландского шпата или турмалина, поляризуется. Явление двойного лучепреломления света объясняется тем, что во многих кристаллических веществах показатели преломления для двух взаимно перпендикулярно поляризованных волн различны. Поэтому кристалл раздваивает проходящие через него лучи (рис. 2.6.1). Два луча на выходе кристалла линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Кристаллы, в которых происходит двойное лучепреломление, называются анизотропными.

Свет может оказаться поляризованным при отражении или рассеянии. В частности, голубой свет неба частично или полностью поляризован. Поляризация отраженного света впервые наблюдалась Малюсом, когда он смотрел сквозь кристалл исландского шпата на отражение заходящего солнца в окнах Люксембургского дворца в Париже. Малюс установил, что отраженный свет в той или иной степени поляризован. Степень поляризации отраженного пучка зависит от угла падения: при нормальном падении отраженный свет полностью не поляризован, а при падении под углом, который называется углом полной поляризации или углом Брюстера, отраженный луч поляризован на все 100 %. При отражении под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи перпендикулярны между собой (рис. 2.5.4). Отраженный луч плоско-поляризован параллельно поверхности.

Рис. 2.6.4.

Т.к. , и , то угол Брюстера находится по формуле .

Поляризованный свет широко используется во многих областях техники (например, для плавной регулировки света, при исследовании упругих напряжений и т.д.). Человеческий глаз не различает поляризацию света, а глаза некоторых насекомых, например, пчел, воспринимают ее.

Поиск по сайту: