Поляризация света

Сначала XIX века, когда Т. Юнг и О. Френель развивали волновую теорию света, природа световых волн была неведома. На первом шаге предполагалось, что свет представляет собой продольные волны, распространяющиеся в некой гипотетичной среде – эфире. При исследовании явлений интерференции и дифракции вопрос о том, являются ли световые волны продольными либо поперечными, имел второстепенное значение. В то время казалось неописуемым, что свет – это поперечные волны, потому что по аналогии с механическими волнами пришлось бы полагать, что эфир – это жесткое тело (поперечные механические волны не могут распространяться в газообразной либо водянистой среде). Но, равномерно скапливались экспериментальные факты, свидетельствующие в пользу поперечности световых волн. Еще в конце XVII века было найдено, что кристалл исландского шпата (CaCO3) раздваивает проходящие через него лучи. Это явление получило заглавие двойного лучепреломления (рис. 6.11.1).

Прохождение света через кристалл 1
Набросок 6.11.1. Прохождение света через кристалл исландского шпата (двойное лучепреломление). Если кристалл поворачивать относительно направления начального луча, что поворачиваются оба луча, прошедшие через кристалл.

В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, нареченный его именованием. В опытах Малюса свет поочередно пропускался через две однообразные пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленой расцветки). Пластинки могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ (рис. 6.11.2).

Иллюстрация к закону Малюса. 2
Набросок 6.11.2. Иллюстрация к закону Малюса.

Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2 φ:

I ~ cos2 φ.

  Ни двойное лучепреломление, ни закон Малюса не могут отыскать разъяснение в рамках теории продольных волн. Для продольных волн направление распространения луча является осью симметрии. В продольной волне все направления в плоскости, перпендикулярной лучу, равноправны. В поперечной волне (к примеру, в волне, бегущей по резиновому жгуту) направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны (рис. 6.11.3).

Поперечная волна в резиновом жгуте. 3
Набросок 6.11.3. Поперечная волна в резиновом жгуте. Частички колеблются повдоль оси y. Поворот щели S вызовет затухание волны.

Таким макаром, асимметрия относительно луча является решающим признаком, который отличает поперечную волну от продольной. В первый раз гипотезу о поперечности световых волн высказал Т. Юнг (1816 г.). Френель, независимо от Юнга, также выдвинул концепцию поперечности световых волн, доказал ее бессчетными тестами и сделал теорию двойного лучепреломления света в кристаллах. Посреди 60-х годов XIX века Максвелл пришел к выводу о том, что свет – это электрические волны.

Этот вывод был изготовлен на базе совпадения известного значения скорости света со скоростью распространения предсказанных Максвеллом электрических волн. К тому времени, когда Максвелл пришел к выводу о существовании электрических волн, поперечность световых волн уже была подтверждено экспериментально. Потому Максвелл справедливо считал, что поперечность электрических волн является еще одним важным подтверждением электрической природы света. В электрической теории света пропали все затруднения, связанные с необходимостью введения особенной среды распространения волн – эфира, который приходилось рассматривать как жесткое тело. В электрической волне вектора  Поляризация света
и  Поляризация света
перпендикулярны друг дружке и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 5.6.3). Во всех процессах взаимодействия света с веществом главную роль играет электронный вектор  Поляризация света
потому его именуют световым вектором. Если при распространении электрической волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, такую волну именуют линейно-поляризованной либо плоско-поляризованной (термин поляризация волн был введен Малюсом применительно к поперечным механическим волнам). Плоскость, в какой колеблется световой вектор  Поляризация света
именуется плоскостью колебаний (плоскость yz на рис. 5.6.3), а плоскость, в какой совершает колебание магнитный вектор  Поляризация света
плоскостью поляризации (плоскость xz на рис. 5.6.3). Если повдоль 1-го и такого же направления распространяются две монохроматические волны, поляризованные в 2-ух взаимно перпендикулярных плоскостях, то в итоге их сложения в общем случае появляется эллиптически-поляризованная волна (рис. 6.11.4).

Сложение 2-ух взаимно 4
Набросок 6.11.4. Сложение 2-ух взаимно перпендикулярно поляризованных волн и образование эллиптически поляризованной волны.

В эллиптически-поляризованной волне в хоть какой плоскости P, перпендикулярной направлению распространения волны, конец результирующего вектора  Поляризация света
за один период светового колебания обегает эллипс, который именуется эллипсом поляризации. Форма и размер эллипса поляризации определяются амплитудами ax и ay линейно-поляризованных волн и фазовым сдвигом Δφ меж ними. Личным случаем эллиптически-поляризованной волны является волна с радиальный поляризацией (ax = ay, Δφ = ± π / 2). Рис. 6.11.5 дает представление о пространственной структуре эллиптически-поляризованной волны.

Электронное поле 5
Набросок 6.11.5. Электронное поле в эллиптически-поляризованной волне.

Линейно-поляризованный свет испускается лазерными источниками. Свет возможно окажется поляризованным при отражении либо рассеянии. А именно, голубой свет от неба отчасти либо стопроцентно поляризован. Но, свет, испускаемый обыкновенными источниками (к примеру, солнечный свет, излучение ламп накаливания и т. п.), неполяризован.

Свет таких источников состоит в каждый момент из вкладов большого числа независимо излучающих атомов (см. § 6.2) с различной ориентацией светового вектора в излучаемых этими атомами волнах. Потому в результирующей волне вектор  Поляризация света
хаотично изменяет свою ориентацию во времени, так что в среднем все направления колебаний оказываются равноправными. Неполяризованный свет именуют также естественным светом. В каждый момент времени вектор  Поляризация света
может быть спроектирован на две взаимно перпендикулярные оси (рис. 6.11.6).

Разложение вектора  по осям. 6
Набросок 6.11.6. Разложение вектора  Поляризация света
по осям.

Это значит, что всякую волну (поляризованную и неполяризованную) можно представить как суперпозицию 2-ух линейно-поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях волн:  Поляризация света
Но в поляризованной волне обе составляющие Ex(t) и Ey(t) когерентны, а в неполяризованной – некогерентны (см. § 6.2), другими словами в первом случае разность фаз меж Ex(t) и Ey(t) постоянна, а во 2-м она является случайной функцией времени. Явление двойного лучепреломления света разъясняется тем, что в почти всех кристаллических субстанциях характеристики преломления для 2-ух взаимно перпендикулярно поляризованных волн различны. Потому кристалл раздваивает проходящие через него лучи (рис. 6.11.1). Два луча на выходе кристалла линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Кристаллы, в каких происходит двойное лучепреломление, именуются анизотропными. При помощи разложения вектора  Поляризация света
на составляющие по осям можно разъяснить закон Малюса (рис. 6.11.2). У многих кристаллов поглощение света очень находится в зависимости от направления электронного вектора в световой волне. Это явление именуют дихроизмом. Этим свойством, а именно, владеют пластинки турмалина, использованные в опытах Малюса. При определенной толщине пластинка турмалина практически стопроцентно поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн (к примеру, Ex) и отчасти пропускает вторую волну (Ey). Направление колебаний электронного вектора в прошедшей волне именуется разрешенным направлением пластинки. Пластинка турмалина может быть применена как для получения поляризованного света, так и для анализа нрава поляризации света (поляризатор и анализатор). В текущее время обширно используются искусственные дихроичные пленки, которые именуются поляроидами. Поляроиды практически стопроцентно пропускают волну разрешенной поляризации и не пропускают волну, поляризованную в перпендикулярном направлении. Таким макаром, поляроиды можно считать безупречными поляризационными фильтрами. Разглядим прохождение естественного света поочередно через два безупречных поляроида П1 и П2 (рис. 6.11.7), разрешенные направления которых развернуты на некий угол φ. 1-ый поляроид играет роль поляризатора. Он превращает естественный свет в линейно-поляризованный. 2-ой поляроид служит для анализа падающего на него света.

Прохождение естественного света 7
Набросок 6.11.7. Прохождение естественного света через два безупречных поляроида. yy’ – разрешенные направления поляроидов.

Если обозначить амплитуду линейно-поляризованной волны после прохождения света через 1-ый поляроид через  Поляризация света
то волна, пропущенная вторым поляроидом, будет иметь амплитуду E = E0 cos φ. Как следует, интенсивность I линейно-поляризованной волны на выходе второго поляроида будет равна

 Поляризация света

  Таким макаром, в электрической теории света закон Малюса находит естественное разъяснение на базе разложения вектора  Поляризация света
на составляющие.