Глава 25

Поляризация света

§ 190. Естественный

и поляризованный свет

Следствием теории Максвелла (см. § 162)

является поперечность световых волн: век-

торы напряженностей электрического Е

и магнитного Н полей волны взаимно пер-

пендикулярны и колеблются перпендику-

лярно вектору скорости v распространения

волны (перпендикулярно лучу). Поэтому

для описания закономерностей поляри-

зации света достаточно знать поведение

лишь одного из векторов. Обычно все

рассуждения ведутся относительно све-

тового вектора — вектора напряженно-

сти Е электрического поля (это название

обусловлено тем, что при действии света

на вещество основное значение имеет

электрическая составляющая поля волны,

действующая на электроны в атомах ве-

щества).

Свет представляет собой суммарное

электромагнитное излучение множества

атомов. Атомы же излучают световые во-

лны независимо друг от друга, поэтому

световая волна, излучаемая телом в це-

лом, характеризуется всевозможными рав-

новероятными колебаниями светового век-

тора (рис. 272, а; луч перпендикулярен

плоскости рисунка). В данном случае рав-

номерное распределение векторов Е

объясняется большим числом атомарных

Рис. 272

излучателей, а равенство амплитудных

значений векторов Е — одинаковой

(в среднем) интенсивностью излучения

каждого из атомов. Свет со всевозможны-

ми равновероятными ориентациями векто-

ра Е (и, следовательно, Н) называется

естественным.

Свет, в котором направления колеба-

ний светового вектора каким-то образом

упорядочены, называется поляризован-

ным. Так, если в результате каких-либо

внешних воздействий появляется преиму-

щественное (но не исключительное!) на-

правление колебаний вектора Е

(рис. 272, б), то имеем дело с частично

поляризованным светом. Свет, в котором

вектор Е (и, следовательно, Н) колеблется

только в одном направлении, перпендику-

лярном лучу (рис. 272, в), называется

плоскополяризованным (линейно поляри-

зованным).

Плоскость, проходящая через направ-

ление колебаний светового вектора плос-

кополяризованной волны и направление

распространения этой волны, называ-

ется плоскостью поляризации. Плоскопо-

ляризованный свет является предельным

случаем эллиптически поляризованного

света — света, для которого вектор Е

(вектор Н) изменяется со временем так,

что его конец описывает эллипс, лежащий

в плоскости, перпендикулярной лучу. Если

эллипс поляризации вырождается

(см. § 145) в прямую (при разности фаз ц>,

равной нулю или л), то имеем дело с

рассмотренным выше плоскополяризо-

ванным светом, если в окружность (при

Ф=нЬл/2 и равенстве амплитуд склады-

ваемых волн), то имеем дело с циркулярно

поляризованным (поляризованным по кру-

гу) светом.

Глава 25. Поляризация света

307

Степенью поляризации называется ве-

личина

Р =

'max 'min

'maxT'min

где /max и /min — максимальная и мини-

мальная интенсивности света, соответ-

ствующие двум взаимно перпендикуляр-

ным компонентам вектора Е. Для

естественного света /тах = Лшп и Р = 0, для

плоскополяризованного /т1п=0 и Р=1.

Естественный свет можно преобразо-

вать в плоскополяризованный, используя

так называемые поляризаторы, пропуска-

ющие колебания только определенного на-

правления (например, пропускающие ко-

лебания, параллельные плоскости поляри-

затора, и полностью задерживающие

колебания, перпендикулярные этой

плоскости). В качестве поляризаторов мо-

гут быть использованы среды, анизотроп-

ные в отношении колебаний вектора Е,

например кристаллы (их анизотропия из-

вестна, см. §70). Из природных кристал-

лов, давно используемых в качестве поля-

ризатора, следует отметить турмалин.

Рассмотрим классические опыты с

турмалином (рис.273). Направим естест-

венный свет перпендикулярно пластинке

турмалина Ti, вырезанной параллельно

так называемой оптической оси 00

(см. §192). Вращая кристалл Ti вокруг

направления луча, никаких изменений ин-

тенсивности прошедшего через турмалин

света не наблюдаем. Если на пути луча

поставить вторую пластинку турмалина Тг

и вращать ее вокруг направления луча, то

интенсивность света, прошедшего через

пластинки, меняется в зависимости от уг-

ла а между оптическими осями кристал-

лов по закону Мал юса*:

/ = /0 cos а,

A90.1)

где /о и / — соответственно интенсивности

света, падающего на второй кристалл

и вышедшего из него. Следовательно, ин-

тенсивность прошедшего через пластинки

света изменяется от минимума (полное

Естественный

свет

0'

Плоскопошгризованный свет

Рис. 273

гашение света) при а = л/2 (оптические

оси пластинок перпендикулярны) до мак-

симума при а = 0 (оптические оси пласти-

нок параллельны). Однако, как это следу-

ет из рис. 274, амплитуда Е световых коле-

баний, прошедших через пластинку Т2,

будет меньше амплитуды световых колеба-

ний Ео, падающих на пластинку Т2:

? = ?0 cos a.

Так как интенсивность света пропорцио-

нальна квадрату амплитуды, то и получа-

ется выражение A90.1).

Результаты опытов с кристаллами тур-

малина объясняются довольно просто, ес-

ли исходить из изложенных выше условий

пропускания света поляризатором. Пер-

вая пластинка турмалина пропускает ко-

лебания только определенного направле-

ния (на рис. 273 это направление показано

стрелкой АВ) т. е. преобразует естествен-

ный свет в плоскополяризованный. Вторая

же пластинка турмалина в зависимости от

ее ориентации из поляризованного света

пропускает большую или меньшую его

часть, которая соответствует компонен-

ту Е, параллельному оси второго турмали-

на. На рис. 273 обе пластинки расположе-

ны так, что направления пропускаемых

ими колебаний АВ и А'В' перпендикуляр-

* Э. Малюс A775—1812)—французский

физик.

308

5. Оптика. Квантовая природа излучения

ны друг другу. В даном случае Т| про-

пускает колебания, направленные поАВ,

а Т2 их полностью гасит, т. е. за вторую

пластинку турмалина свет не проходит.

Пластинка Ti, преобразующая ес-

тественный свет в плоскополяризован-

ный, является поляризатором. Пластин-

ка Т2, служащая для анализа степени по-

ляризации света, называется анализато-

ром. Обе пластинки совершенно одинако-

вы (их можно поменять местами).

Если пропустить естественный свет че-

рез два поляризатора, плоскости которых

образуют угол а, то из первого выйдет

лоскополяризованный свет, интенсив-

ность КОТОРОГО /о='/2/ест, ИЗ ВТОРОГО, СО-

гласно A90.1), выйдет свет интенсивно-

стью / = /ocos2a. Следовательно, ин-

тенсивность света, прошедшего через два

поляризатора,

/='/VecTCOS2 a,

ОТКуДа /max ='/г/ест (пОЛЯриЗЭТОрЫ ПЭ-

раллельны) и /т|П = 0 (поляризаторы

скрещены).