Поляризация при отражении и преломлении света

Если угол падения света  на границу раздела двух диэлектриков (например, на поверхность стеклянной пластинки) отличен от нуля, отраженный и преломленный лучи оказывают частично поляризован-ными. Причем, при отражении от проводящей поверхности (например, от поверхности металла) получается эллиптически-поляризованный свет. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения (на рис. 6.2 эти колебания обозначены точками), в преломленном луче колебания, параллельные плоскости падения (на рисунке они изображены двусторон-ними  стрелками). Степень поляриза-ции зависит от угла падения.

Зако́н Брю́стера — закон оптики, выражающий связь показателей преломления двух диэлектриков с таким углом падения света, при котором свет, отражённый от границы раздела диэлектриков, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. При этом преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, и его поляризация достигает наибольшего значения (но не 100%, поскольку от границы отразится лишь часть света, поляризованного перпендикулярно к плоскости падения, а оставшаяся часть войдёт в состав преломлённого луча). Угол падения, при котором степень поляризации максимальна, называется углом Брюстера. Легко установить, что при падении под углом Брюстера отражённый и преломлённый лучи взаимно перпендикулярны.

Это явление оптики названо по имени шотландского физика Дэвида Брюстера, открывшего его в 1815 году.

Закон Брюстера записывается в виде:

где  — показатель преломления второй среды относительно первой, а  — угол падения (угол Брюстера).

При падении света на одну пластинку под углом Брюстера интенсивность отражённого линейно поляризованного света очень мала (для границы воздух-стекло — около 4 % от интенсивности падающего луча). Поэтому для того, чтобы увеличить интенсивность отраженного света (или поляризовать свет, прошедший в стекло, в плоскости, параллельной плоскости падения) применяют несколько скрепленных пластинок, сложенных в стопу — стопу Столетова. Легко проследить по чертежу происходящее. Пусть на верхнюю часть стопы падает луч света. От первой пластины будет отражаться полностью поляризованный луч (около 4 % первоначальной интенсивности), от второй пластины также отразится полностью поляризованный луч (около 3,75 % первоначальной интенсивности) и так далее. При этом луч, выходящий из стопы снизу, будет все больше поляризоваться в плоскости, параллельной плоскости падения, по мере добавления пластин.

На правой фотографии он повёрнут таким образом, что отражённый свет почти полностью отфильтровывается и блики исчезают.

Закон Брюстера можно вывести из формул Френеля, описывающих зависимость амплитуды, фазы и поляризации отражённой и преломлённой световых волн от соответствующих характеристик волны, падающей на границу раздела диэлектриков.

_30. Частично-поляризованный свет. Анализ частично-поляризованного света, степень поляризации.

Частично поляризованный свет

Поскольку, как правило, свет в природе и свет искусственного происхождения не является ни полностью поляризованным, ни полностью неполяризованным, вводится важное понятие степени поляризации. Эта величина определяется с помощью компонент, на которые можно разделить данный пучок.

Существует два полезных способа мысленного деления пучка на компоненты. В одном методе применяется деление на поляризованный и неполяризованный свет, другой метод основан на делении по форме колебаний. При делении на поляризованный — неполяризованный свет рассматриваемый пучок разделяется на полностью поляризованную компоненту Сa и на компоненту Сb, которая неполяризована и не имеет постоянного соотношения фаз с компонентой Сa (т. е. некогерентна с ней).

Такое разделение однозначно: имеется только одна возможная пара компонент Сa и Сb. В зависимости от того, является ли компонента Сa линейно, циркулярно или эллиптически поляризованной, частично поляризованный пучок называется частично линейно, частично циркулярно или частично эллиптически поляризованным.

Такое разделение однозначно: имеется только одна возможная пара компонент Сa и Сb. В зависимости от того, является ли компонента Сa линейно, циркулярно или эллиптически поляризованной, частично поляризованный пучок называется частично линейно, частично циркулярно или частично эллиптически поляризованным.

При использовании разделения по форме колебания рассматриваются две полностью и взаимно перпендикулярно поляризованные компоненты, максимально различающиеся по интенсивности. Компоненту с большей интенсивностью называют преобладающей (максимальной) компонентой Сa, а компоненту с меньшей интенсивностью — минимальной компонентой Сi. Можно показать, что эти компоненты некогерентны между собой, т. е. между их фазами не существует постоянного соотношения.

Разделение на поляризованный — неполяризованный свет удобно при рассмотрении поляризаторов, дающих частичную поляризацию, пластинок, сдвигающих фазу (фазовых пластинок) и т. д. Например, если частично поляризованный пучок проходит через устройство, сдвигающее фазу, то неполяризованная компонента совершенно не изменяется и исследователь может сосредоточить свое внимание только на поляризованной компоненте. Разложение, на поляризованный и неполяризованный свет имеет, правда, одно существенное ограничение: ни одно из известных устройств не может быть применено для проведения указанного разложения. Однако легко осуществим обратный процесс: довольно просто скомбинировать поляризованный и неполяризованный пучки, по крайней мере локально; для этого достаточно, чтобы они пересекались под небольшим углом. Используя это, можно показать законность такого метода рассмотрения.

Разделение пучка на компоненты с разным направлением колебаний полезно при исследовании поляризаторов, в которых используется двойное преломление. Эти приборы практически осуществляют такое разложение (с некоторыми ограничениями).

В некоторых случаях полезно пользоваться понятием об эквивалентной степени линейной поляризации. Пучок, который имеет 100%-ную эллиптическую поляризацию и незначительную эллиптичность, можно рассматривать как пучок с частичной линейной поляризацией. Это понятие (эквивалентная степень линейной поляризации) иногда оказывается удобным.

Легко получить поляризацию, меняющуюся по спектру. Действительно, степень поляризации (и, возможно, даже форма поляризации) почти любого немонохроматического пучка, выходящего из дихроичного поляризатора, будет меняться с длиной волны.

На выходе из несовершенного поляризатора получается свет, в котором колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений. Такой свет называется частично поляризованным.

Если пропустить частично поляризованный свет через поляризатор, то при вращении прибора вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах от I_max до I_min, причем переход от одного из этих значений к другому будет совершаться при повороте на угол, равный π/2 (за один полный поворот два раза будет достигаться максимальное и два раза минимальное значение интенсивности).