6. 2. Поляризация света при отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектрических сред. Закон Брюстера.

Действие поляризаторов может быть основано на поляризации света при отражении и преломлении на границе раздела двух диэлек­триков.

Оптически изотропная среда (т.е. среда, имеющая оди­наковые оптические свойства во всех направлениях) представ­ляет собой систему электрических зарядов – ионов и электро­нов, способных совершать вынужденные колебания под действием электро­магнитных волн. Частота колебаний, соответствующая диапа­зону частот видимого света очень большая (порядка 10¹⁵ Гц). Поэтому только заряженные частицы очень маленькой массы могут следовать за изменением поля световой волны. Такими частицами являются электроны. Атомы и их ядра не могут следовать за изменением этого поля в силу их большой инертной массы. При этом предполагается, что в веществе электроны связаны квази­упругими силами, т.е. являются колебательными системами, ха­рактеризующимися частотой собственных колебаний.

П ростейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является колеблющийся электрический диполь (рис. 6.4 а). Под действием электромагнитной волны электроны вещества совершают вынужденные колебания, излучая вторичные электромагнитные волны той же частоты, что и частота падающего света. Если волна распространяется в изотропной среде, то вол­новой фронт будет сферическим (рис. 6.4 б). При этом интенсивность вторичных волн зависит от угла θ и поэтому различна в разных направлениях. Зависимость интенсивности от угла наглядно показано на диаграмме направленности диполя (рис. 6.4 в). На рис. 6.4.в видно, что в направлении линии АА' (оси осцил­лятора) происходит колебания электрона, поэтому интенсивность излучения в этом направлении отсутствует. Интенсивность излучения будет максимальна в направлении оси Х, перпендикулярном линии АА'.

В заимодействие электронной оболочки атомов с элек­тромагнитным полем световой волны приводит к их возбужде­нию. Возбужденные атомы, приходя в нормальное (невозбуж­денное) состояние, излучают вторичные электромагнитные волны. Поскольку среднее расстояние между атомами в жидкостях и твердых телах мало по сравнению с длиной цуга волн (около 3м), то электронные оболочки большого числа атомов возбуж­даются одним цугом волн. Поэтому вторичные волны оказыва­ются когерентными как между собой, так и падающей световой волной. Эти волны взаимно интерферируют. Их интерферен­цией объясняются явления отражения и преломления света в веществе.

При падении естественного света на границу раздела двух диэлектриков (например, из воздух на стекло) часть его отража­ется, а часть преломляется (рис. 6.5). Отра­женный и преломленный свет оказываются час­тично поляризоваными. В отраженном свете преобладают волны, у которых световой вектор Е колеб­лется в плоскости, перпендикулярной плоскости падения (на рис. 6.5 колебания вектора Е изображены точками), а в преломленном свете – в плоскости падения (на рис. 6.5 колебания вектора Е изображены стрелками).

Степень поляризации как отраженного, так и преломлен­ного света зависит от угла падения лучей и показателей прелом­ления сред. Шотландский физик Дэвид Брюстер исследуя поляриза­цию света, установил (1815 г.) связь между относительным показателем прелом­ления диэлектрика и углом падения света, при котором отра­женный от поверхности свет полностью поляризован. Согласно закону Брюстера при угле падения i_Б (угол Брюстера), опреде­ляемого соотношением

t g i_Б = n₂₁

отраженный луч будет полностью плоскополяризован а преломленный луч – частично с максимальной степенью поляризации (рис. 6.6). Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно пер­пендикулярны (это условие выте­кает из закона Брюстера).

Степень поляризации преломленного света можно значительно повысить, пропуская свет через устройство, называемое стопой Столетова (рис. 6.7). Стопа Столетова представляет собой совокупность одинаковых параллельных друг другу пластинок из прозрачного ди­электрика (например, стекла). При многократном отражении и преломлении на каждой границе степень поляризации вырастает и на выходе из стопы свет становится полностью поляризованным.

З акон Брюстера можно пояснить, основываясь на диаграмме направл енности излучения электрического ди­поля (осциллятора). Представим падающий естественный свет как результат сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний (рис. 6.8). Один световой вектор (обозначим его Е_||) будет колебаться в плос­кости падения (на рис. 6.8 вектор Е_|| показан стрелками), а другой (обозначим его Е_) будет колебаться в плоскости, перпендику­лярной плоскости падения (на рис. 6.8 вектор Е_ показан точками).

При прохождении света через вещество под действием вектора Е_|| электроны вещества будут совершать вынужденные колеба­ния в плоскости падения (эти осцил­ляторы, оси которых лежат в плоско­сти падения, на преломленном луче обозначены стрелками), излучая при этом вторичные сферические волны в плос­кости падения. Интенсивность таких волн будет максимальна в перпендикулярном направлении (это показано диаграммой направленности диполя на преломленном луче). Световому вектору Е_ будут соответствовать осцилля­торы, оси которых лежат в перпен­дикулярной плоскости (на прелом­ленном луче они обозначены точ­ками). В направлении колебаний электронов излучения вторичных волн не происходит. При угле падения i = i_Б отраженный луч перпендикулярен преломленному лучу и, следовательно, параллелен осцилляторам, оси которых расположены в плоскости падения. Данные осцилляторы не излучают в направлении отраженного луча и вклад в отражен­ную волну не дают. Отсюда следует, что в отраженном луче будет присутствовать только колебания Е_ и отраженный луч будет полностью поляризован.

Эффект поляризации отраженного света используется, например, для обнаружения с воздуха пленок нефти на поверх­ности моря.