Поляризация света Естественный и поляризованный свет

Электромагнитные волны и, в частности, свет относятся к поперечным волнам: векторы напряженности электрического Е и магнитного Н полей взаимно перпендикулярны и совершают колебания в направлениях, перпендикулярных скорости распро­странения волны с (рис. 1).

Эксперименты и теория показывают, что химическое, физио­логическое и другие виды воздействия на вещество обусловлены главным образом электрической составляющей поля волны. По­этому в дальнейшем все рассуждения достаточно вести для век­тора напряженности электрического поля Е — светового векто­ра. Свет — это суммарное, электромагнитное излучение множе­ства атомов. Излучение атомов происходит независимо, поэтому свет характеризуется различными направлениями светового век­тора.

Свет называется естественным, если в нем присутствуют с равной вероятностью колебания со всевозможными направлени­ями светового вектора. На рис. 2а указана плоскость, в которой происходят колебания светового вектора в случае естественно­го света. На рис. 2b луч перпендикулярен плоскости рисунка. Примером естественного света является солнечный свет.

Свет называется поляризованным, если направления колеба­ний светового вектора каким-либо образом упорядочены.

Если колебания вектора Е происходят в разных направле­ниях, но имеется преимущественное направление (рис. 2в), то принято говорить о частично поляризованном свете.

Свет называется плоскополяризованным, если световой век­тор колеблется только в одном перпендикулярном лучу напра­влении. Плоскость, в которой колеблется вектор Е в плоско по­ляризованной волне, называется плоскостью колебаний (в более современной литературе используется термин плоскость поляри­зации).

Естественный свет можно превратить в плоскополяризован-ный, используя поляризаторы, в качестве которых обычно приме­няют кристаллы, характерной особенностью которых является анизотропия, т.е. различие свойств в различных направлениях.

Из природных кристаллов следует отметить турмалин и исланд­ский шпат.

В классических опытах с турмалином естественный свет направляют перпендикулярно пластинке 1, вырезанной параллель но оптической оси ОО' кристалла турмалина. Естественный свет оказывается полностью плоско-поляризованным (рис. 3). Если за пластинкой 1 поместить такую же пластинку 2 и вращать ее во­круг направления луча, то интенсивность I света, прошедшего через пластинки, будет меняться в зависимости от угла а между оптическими осями кристаллов.

Сквозь пластинку 1 (поляризатор) пройдет свет с амплиту­дой светового вектора Ео и интенсивностью I₀ ~ E²₀ через пластинку 2 (анализатор) пройдет свет с амплитудой колебаний Е = Е₀ cos а (рис. 4) и интенсивностью I ~ Е².

Закон Малюса. Интенсивность плоскополяризованного

света, прошедшего через два поляризатора, пропорциональна квадрату косинуса угла между оптическими осями этих поляризаторов.

При прохождении через поляризатор естественного света его ин­тенсивность уменьшается вдвое. Это объясняется тем, что для неполяризованного излучения угол а принимает любые значения в пределах от 0 до 2π и среднее значение (cos² а) = 1/2. Таким образом, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора,

Следовательно, максимальная интенсивность I_max = 1/2I_ест если а = 0 (поляризаторы параллельны), и I_min = 0, если а = π/2 (поляризаторы скрещены).

Поляризация при отражении и преломлении

При явлениях отражения и преломления света на границах двух диэлектриков наблюдается частичная поляризация есте­ственного света. Исключение составляет только случай нор­мального падения света (угол падения равен нулю). В отражен­ном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, которые на рис. 5 отмечены точками.

В преломленном луче преобладают колебания, параллель­ные плоскости падения (на рис. 5 это обозначено стрелками). Степень поляризации зависит от угла падения. При некотором угле падения а_р отраженный свет оказывается полностью плос-кополяризованным. Преломленный луч при любых углах а явля­ется частично поляризованным.

Закон Брюстера.

Угол полной поляризации а_р (угол Брюстера) зависит от от­носительного показателя преломления второй среды по отношению к первой:

Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то от­раженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Дей­ствительно, из закона преломления света

Из (3) следует, что sin а_р/cos а_р = n₂₁ и sinτ = cos a_p = cosβ; отсюда вытекает, что β + τ = π/2.