§ 3. Эллиптическая, круговая, линейная поляризации. Полярный свет
Для поперечных волн характерно явление, которое носит название поляризации.
Поляризация света – это физическая характеристика, описывающая поперечную анизотропию световых волн, т. е. неэквивалентность различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу.
Поляризованным называется свет с определенной ориентацией светового вектора в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения света. Для поляризованного света функция E0(t) должна иметь регулярный характер.
Наиболее общим типом поляризации является эллиптическая, при которой конец вектора описывает эллипс в плоскости XOY (рис. 3.2, б). Различают поляризацию с правым и левым вращениями вектора по отношению к направлению распространения света.
В частном случае эллиптической поляризации при равенстве большой и малой полуосей эллипса свет становится циркулярно поляризованным, при этом конец вектора описывает окружность (рис. 3.2, в).
При стремлении к нулю малой полуоси эллипса свет становится линейно или плоско поляризованным (рис. 3.2, г).
Новый тип поляризации – полярный свет – возможно получить при сложении двух волн с сонаправленными векторами , частоты которых соотносятся как ω; 2ω; 3ω и т. д. Полярный свет является линейно-поляризованным светом с преимущественным смещением вектора в одном из направлений (рис. 3.2, д).
Типы поляризации изображены на рис. 3.2, где показаны траектории конца вектора в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения света.
На практике часто свет представляет собой суперпозицию естественного и поляризованного. В этом случае говорят о частичной поляризации излучения.
Для преобразования естественного света в линейно-поляризованный и для анализа состояния поляризации применяют специальные оптические приборы, получившие названия поляризаторы и анализаторы соответственно.
Устройство этих приборов основано на физических явлениях, используемых для выделения линейно-поляризованного света, а именно:
1) поляризации при отражении света или преломлении света на границе раздела двух прозрачных диэлектриков;
2) двойном лучепреломлении;
3) дихроизме (зависимости поглощения света от его поляризации).
§ 4. Поляризация при отражении и преломлении света на границе раздела двух диэлектриков. Закон Брюстера
Наиболее простой способ получения линейно-поляризованного света из естественного основан на его отражении от границы раздела двух диэлектриков. На рис. 3.3 изображены в плоскости падения падающий E0, отраженный E1 и преломленный E2 лучи света на границе раздела диэлектриков. Все возможные направления вектора (рис. 3.3) можно разложить на два взаимно-перпендикулярных направления: параллельное 0II и перпендикулярное 0┴ плоскости падения.
Решения уравнений Максвелла для электромагнитного поля на границе раздела двух диэлектриков (формулы Френеля) позволяют определить в отраженном и преломленном лучах амплитуды светового вектора для двух различных поляризаций. Формулы Френеля для отраженного света имеют вид:
E1II 
;
,
где и –
углы падения и преломления соответственно.
Из этих формул видно, что только при
нормальном падении и близком к нему
(→0)
компоненты 
0II и Е0┴ равны,
т. е. отраженный свет остается
неполяризованным. При других углах
падения составляющая Е1┴,
перпендикулярная плоскости падения,
оказывается больше параллельной
составляющей
1II,
так как sin(+)
< tg(+).
То есть отраженный свет при >0
является частично поляризованным.
При выполнении равенства 0 + = 90 (рис. 3.3, б; = 0) параллельная компонента 1II обращается в нуль, и отраженный свет становится полностью линейно-поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения.
Используя закон Снеллиуса
,
где n21 – относительный показатель преломления, для случая 0 + = 90 можно получить соотношение, известное как закон Брюстера
.
Угол 0, соответствующий такому направлению падающего луча, при котором отраженный луч полностью поляризован, называют углом полной поляризации или углом Брюстера.
Закон Брюстера формулируется так: тангенс угла полной поляризации равен относительному показателю преломления отражающего диэлектрика.
Так как в отраженном свете компоненты 1II и Е1┴ не равны друг другу, то и в преломленном свете будет выполняться неравенство 1II > Е1┴, т. е. преломленный свет будет частично поляризован. Максимальная, но неполная поляризация для преломленного луча будет наблюдаться также при падении естественного света под углом Брюстера.
Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды светового вектора I ~ E2, то формулы Френеля позволяют рассчитать зависимость интенсивности отраженного света от угла падения. Примерный вид этих зависимостей для двух поляризаций падающего излучения представлен на рис. 3.4.
Поляризаторы, основанные на преломлении света, состоят из ряда пластин («стопа Столетова»). Выходящий из стопы свет линейно-поляризован. Для получения максимальной степени поляризации с помощью стопы свет направляют на нее под углом Брюстера. Оптимальное количество пластин в стопе зависит от их показателя преломления: чем больше показатель преломления, тем меньше требуется пластин.
Отражающие поляризаторы представляют собой пластинки из диэлектрика с плоской поверхностью, полированной до зеркального блеска, на которые направляют свет под углом Брюстера. Эти зеркала делают из стекол, непрозрачных для данной области спектра, из германия и некоторых других материалов.
При конструировании приборов, состоящих из многих оптических частей, т. е. обладающих большим числом отражающих поверхностей, отражение может заметно ослабить интенсивность света. Для борьбы с этими потерями был разработан способ, позволяющий значительно уменьшить отражение света на свободной поверхности стекла – просветление оптики. Путем химической обработки или осаждением постороннего вещества на стекле образуют поверхностный слой, показатель преломления и толщину которого стремятся подобрать так, чтобы лучи, отраженные от верхней и нижней границ этого слоя, благодаря интерференции взаимно погашались. Например, в перископах подобная обработка приводит к уменьшению потерь на отражение в несколько раз.