![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
Естественный и поляризованный свет
Электромагнитные
волны, как мы знаем, поперечны Вместе с
тем световые волны обычно не обнаруживают
асимметрии относительно направления
распространения (луча). Это обусловлено
тем, что в естественном свете имеются
колебания, совершающиеся в самых
различных направлениях, перпендикулярных
к лучу(рис 105). Световая волна слагается
из множества цугов волн, испускаемых
отдельными атомами. Плоскость колебаний
для каждого цуга ориентирована случайным
образом. Поэтому в результирующей волне
колебания различных направлений
представлены с равной вероятностью. В
естественном свете колебания различных
направлений быстро и беспорядочно
сменяют друг друга. Свет, в котором
направления колебаний упорядочены
каким-либо образом, называется
поляризованным. Если колебания светового
вектора происходят только в одной
плоскости (рис. 106), свет называют плоско-
(или прямолинейно-) поляризованным.
Плоскость, в которой колеблется световой
вектор (т. е. вектор напряженности
электрического поля Е), мы будем называть
плоскостью колебаний. По историческим
причинам плоскостью поляризации была
названа не плоскость, в которой колеблется
вектор Е, а перпендикулярная к ней
плоскость. Плоско-поляризованный свет
можно получить из естественного с
помощью приборов, называемых поляризаторами.
Эти приборы свободно пропускают
колебания, параллельные плоскости,
которую мы будем называть плоскостью
поляризатора , и полностью задерживают
колебания, перпендикулярные к этой
плоскости. Колебание амплитуды А,
совершающееся
в плоскости, образующей угол φ с
плоскостью поляризатора, можно разложить
на два колебания с амплитудами А||
= A cos φ и
=Asinφ
(рис.
107; луч перпендикулярен к плоскости
рисунка). Первое колебание пройдет через
прибор, второе будет задержано.
Интенсивность прошедшей волны
пропорциональна A||2=A2cos2φ,
Т.
е. равна Icos2φ,
где I—
интенсивность колебания с амплитудой
А.
Следовательно,
колебание, параллельное плоскости
поляризатора, несет с собой долю
интенсивности, равную cos2
ф. В естественном свете все значения φ
равновероятны. Поэтому доля света,
прошедшего через поляризатор, будет
равна среднему значению cos2φ,
т. е. 1/2- При вращении поляризатора вокруг
направления естественного луча
интенсивность прошедшего света остается
одной и той же, изменяется лишь ориентация
плоскости колебаний света, выходящего
из прибора. Пусть на поляризатор падает
плоско-поляризованный свет амплитуды
A0
и интенсивности I0
(рис. 108). Сквозь прибор пройдет составляющая
колебания с амплитудой А=A0cosφ,
где φ — угол между плоскостью колебаний
падающего света и плоскостью поляризатора.
Следовательно, интенсивность прошедшего
света I
определяется выражением: I=I0cos2φ;
Соотношение носит название закона
Малюса. Поставим на пути естественного
луча два поляризатора, плоскости которых
образуют угол φ. Из первого поляризатора
выйдет плоско-поляризованный свет,
интенсивность которого I0
составит половину интенсивности
естественного света Iест-
Согласно закону Малюса из второго
поляризатора выйдет свет интенсивности
I0cos2φ.
Таким образом, интенсивность света,
прошедшего через два поляризатора,
равна I=1/2(Iест*cos2φ).
Максимальная интенсивность, равняя
1/2Iест
получается при φ=0 (поляризаторы
параллельны). При φ=
π/2 интенсивность равна нулю — скрещенные
поляризаторы света не пропускают. Свет,
в котором колебания одного направления
преобладают над колебаниями других
направлений, называется частично
поляризованным. Такой свет можно
рассматривать как смесь естественного
и плоскополяризованного. Если пропустить
частично поляризованный свет через
поляризатор, то при вращении прибора
вокруг направления луча интенсивность
прошедшего света будет изменяться в
пределах от Imax
до Imin,
причем переход от одного из этих значений
к другому будет совершаться при повороте
на угол φ = π/2 (за один полный поворот
два раза будет достигаться максимальное
и два раза минимальное значение
интенсивности). Степенью поляризации
называют выражение: P=(Imax-Imin)/(Imax+Imin)
Для плоско-поляризованного света Imin
= 0 и Р = 1; для естественного света Imax
= Imin
и Р = 0. Рассмотрим две когерентные
плоско-пoляризованные
световые волны, плоскости колебаний
которых взаимно перпендикулярны. Пусть
колебания в одной волне совершаются
вдоль оси х
(рис.
109), во второй — вдоль оси у
(оси
х
и
у
лежат
в перпендикулярной к лучу плоскости).
Проекции световых векторов этих волн
на соответствующие оси изменяются по
закону:
Величины
Ех
и
Еу
представляют
собой координаты конца результирующего
светового вектора Е (см. рис. 109). Из учения
о механических колебаниях мы знаем, что
два взаимно перпендикулярных гармонических
колебания одинаковой частоты при
сложении дают в общем случае движение
по эллипсу (в частности может получиться
движение по прямой или по окружности).
Аналогично, точка с координатами, т. е.
конец вектора Е, движется пo
эллипсу. Следовательно, две когерентные
плоскополяризованные световые волны,
плоскости колебаний которых взаимно
перпендикулярны, при наложении друг на
друга дают волну, в которой световой
вектор (вектор Е) изменяется со временем
так, что конец его описывает эллипс.
Такой свет называется эллиптически
поляризованным. При разности фаз α,
кратной π, эллипс вырождается в прямую
и получается плоскополяризованный
свет. При разности фаз, равной нечетному
числу π/2, и равенстве амплитуд складываемых
волн эллипс превращается в окружность.
В этом случае получается свет,
поляризованный по кругу. Заметим, что
частично поляризованный и естественный
свет также можно представить как
наложение двухплоскополяризованных
волн с взаимно перпендикулярными
плоскостями колебаний. Однако эти волны
не когерентны, значение а в все время
меняется, вследствие чего направление
результирующего вектора Е изменяется
беспорядочным образом. В случае
естественного света амплитуды складываемых
волн должны быть одинаковыми, в случае
частично поляризованного света —
разными. В зависимости от направления
вращения вектора Е различают правую и
левую эллиптическую и круговую
поляризацию. Если по отношению к
направлению, противоположному направлению
луча, вектор Е вращается по часовой
стрелке, поляризация называется правой,
в противном случае — левой. Пусть
эллиптически поляризованный свет падает
на поляризатор. Прибор пропускает
составляющую Е||
вектора
Е
по
направлению плоскости поляризатора
(рис. 110). Максимальное значение этой
составляющей достигается в точках 1
и 2. Следовательно,
амплитуда вышедшего из прибора
плоскополяризованного света равна
длине отрезка 01'.
Вращая
поляризатор вокруг направления луча,
мы будем наблюдать изменения интенсивности
в пределах от Imax
(получающейся при совпадении плоскости
поляризатора с большой полуосью эллипса)
до Imin
(получающейся при совпадении плоскости
поляризатора с малой полуосью эллипса).
Такой же характер изменения интенсивности
света при вращении поляризатора
получается в случае частично поляризованного
света. В случае света, поляризованного
по кругу, вращение поляризатора не
сопровождается (как и в случае естественного
света) изменением интенсивности света,
прошедшего через прибор.
8.
Вектор
Умова-Пойнтинга для излучения. Плотность
энергии электрического поля
E2
/ 2
, а магнитного - wm
= μ
H2
/ 2. Подстановка
в эти выражения соотношения (1) приводит
к тому, что электрическая и магнитная
составляющие волны создают в одном и
том же месте пространства равные значения
плотности энергии: we
= wm
.Принимая во внимание, что значительное
количество наблюдаемых в оптике эффектов
связано с электрическим вектором,
целесообразно представить полное
значение плотности энергии электромагнитной
волны как:
E2=
EH
/ v;
Доля
энергии ΔW
, переносимой волной электромагнитного
излучения через площадкуΔA
, перпендикулярную направлению
распространения волны за время Δt
равна произведению плотности энергии
волны wна
величину объема ΔV
пространства, пройденного волной со
скоростью v
за это время: ΔW
= vw(δV),а
плотность мощности P
, переносимой через поперечное сечение
потока энергии равняется P
= ΔW
/ (ΔAΔt)
= EH.
Или
x
E2
Это
является выражением для модуля вектора
Умова-Пойнтинга:
=
x
Поскольку для данной точки пространства напряжённость поля меняется по закону косинуса, а любой детектор воспринимает только усреднённое по времени значение модуля вектора , то плотность мощности , воспринимаемой приёмником будет равна полной энергии, полученной за время измерения, делённоё на время измерения, т.е.усреднённой за период колебаний мощности:
=
vE2(z)
=
vE2(z)
/ 2
На своем опыте человечество, не сознавая этого, неоднократно встречалась с непосредственным проявлением упомянутого выше явления механического воздействия потока излучения в виде "хвостатых звёзд" - комет, шлейф которых вызван явлением "солнечного ветра"