2.3. Поляризация света

Поляризацией - называется преобразование света из естественного в плоскополяризованный. Поляризация присуща только поперечным волнам. Поляризацией - воздействие на световые или электромагнитные колебания, вследствие которого они происходят в определённом направлении, в определённой плоскости. Поляризатор – это оптическое устройство, способное превращать свет из естественного в плоскополяризованный.

2.3.1. Естественный и поляризованный свет

При изучении явлений интерференции и дифракции вопрос о том, являются световые волны продольными или поперечными, имел второстепенное значение. Там мы изучали способы оценки модуля вектора напряженности электрической составляющей электромагнитной волны. Здесь мы обсудим его направление.

Основное свойство электромагнитных волн – поперечность колебаний векторов напряжённости электрического и магнитного полей  по отношению к направлению распространения волны (рис. 15).

Рисунок 15 – Изображение поперечности колебаний векторов и  

В каждом отдельном случае (для каждого цуга волн) имеется та или иная ориентация векторов и  в пространстве по отношению к распространению (направления луча). Такая асимметрия характерна только для поперечных волн. Продольная волна всегда симметрична относительно направления распространения.

Как правило, излучение естественных источников представляет собой пример электромагнитных волн со всевозможными равновероятностными ориентациями вектора  , т.е. с неопределённым состоянием поляризации. Такой свет называют неполяризованным или естественным (рис. 15.1, а).

а) б) в)

Рисунок 15.1 – Ориентации вектора

Свет с преимущественным (но не исключительным) направлением колебаний вектора   называют частично поляризованным светом (рис. 15.1, б).

В природе существует обширный класс электромагнитных волн, в которых колебания электрического и магнитного полей совершаются в строго определённых направлениях. Такое свойство определяет состояние поляризации электромагнитной волны. Если вектор напряженности электрического поля электромагнитной волны колеблется вдоль некоторого направления в пространстве, говорят о линейной поляризации рассматриваемой электромагнитной волны (рис. 15.1, в). Электромагнитная волна в этом случае называется полностью поляризованной.

Из уравнений Максвелла следует существование полностью поляризованных электромагнитных волн, у которых по мере распространения волны векторы напряжённости электрического и магнитного полей изменяются таким образом, что траектория их движения в плоскости, поперечной направлению распространения волны, представляет собой эллипс или окружность. В этом случае говорят, соответственно, об эллиптической, или круговой, поляризации электромагнитной волны (рис. 15.2, а, б).

а                                                               б

Рисунок 15.2 – Виды поляризации света (а – эллиптическая, б – круговая)

Пространственную структуру эллиптически поляризованных волн поясняет (рис. 15.3)

Рисунок 15.3 – Пространственная структура эллиптически поляризованных волн

Винтовая линия, изображенная на этом рисунке, есть геометрическое место концов вектора , относящихся к различным значениям z в один и тот же момент времени t. Шаг винта равен длине волны l. С изменением t эта винтовая линия, не деформируясь, перемещается со скоростью света в направлении распространения волны. При этом мы получим поле , вращающееся по часовой стрелке (если смотреть навстречу волне).

Как показывает опыт, реальные световые волны во многих случаях можно описывать с помощью рассмотренных выше моделей эллиптически поляризованных волн. При распространении электромагнитной волны в реальных средах возможно превращение неполяризованных волн в полностью поляризованные и наоборот. Примером такого превращения является поляризация электромагнитной волны  при отражении.

Другой практически важный способ поляризации электромагнитных волн, в частности световых волн, представляет рассматриваемое в этой теме распространение электромагнитных волн в оптически анизотропных средах. Естественно, что инструментом для исследования асимметрии поперечных волн может служить система, сама являющаяся асимметричной. Газ, жидкость, твердые аморфные тела изотропны. Асимметрией обладают кристаллические тела. Их свойства могут различаться в различных направлениях. Они анизотропны. Отсюда следует, что асимметрию поперечных световых лучей можно изучать, пропуская свет через анизотропные кристаллы.

Устройства, позволяющие получать линейно поляризованный свет, называют поляризаторами. Когда те же самые приборы используют для анализа поляризации света, их называют анализаторами. Через такие устройства проходит только та часть волны, у которой вектор колеблется в определенном направлении. Это направление называют главной плоскостью поляризатора (анализатора).

Пусть  естественный  свет  падает  на  кристалл  поляризатора  Р (рис. 15.4).

Рисунок 15.4 – Схема работы поляризатора

После прохождения поляризатора, он будет линейно поляризован в направлении. Интенсивность света при этом уменьшится на половину. Это объясняется тем, что при случайных ориентациях вектора   все направления равновероятны. Если вращать поляризатор вокруг светового луча, то никаких особых изменений не произойдет. Если же на пути луча поставить еще и второй кристалл – анализатор A, то интенсивность света будет изменяться в зависимости от того, как ориентированы друг относительно друга обе пластины. Интенсивность света будет максимальна, если оси обоих кристаллов параллельны, и равна нулю, если оси перпендикулярны друг другу.

Все это можно объяснить следующим образом:

- световые волны поперечны, однако в естественном свете нет преимущественного направления колебаний;

- кристалл поляризатора пропускает лишь те волны, вектор   которых имеет составляющую, параллельную оси кристалла (именно поэтому поляризатор ослабляет свет в два раза);

- кристалл анализатора, в свою очередь, пропускает свет, когда его ось параллельна оси поляризатора.