7) Еліпсометричні параметри світлового пучка. Ступінь поляризації

Поляризація визначається орієнтацією вектора у просторі (напрямком його коливання або обертання).

Введемо довільну, але фіксовану площину відліку і визначимо найбільш загальний тип поляризації (еліптичний).

Найменший кут між площиною відліку і великою віссю еліпса називається азимутом поляризації. Відношення b/a називається еліптичністю. В означенні еліптичності можна врахувати напрямок обертання світлового вектора (за годинниковою стрілкою – «+» або проти – «-»), тоді відношення b/a буде змінюватись від -1 до +1. У випадку, коли b=0, еліпс вироджується у відрізок і отримується лінійна поляризація. Відношення b/a =+1 або -1 відповідає випадку, коли еліпс вироджується в коло (отримується кругова поляризація). Іноді замість еліптичності використовують похідну величину – кут еліптичності , який теж часто називають еліптичністю.

Строга нерівність в останньому виразі вик. для того, щоб не враховувати двічі одну і ту ж лінійну поляризацію.

Серед поляризаційних параметрів є абсолютні та відносні. Оскільки площина відліку для визначення азимута обирається довільно, то є величиною відносною, тобто в різних задачах відіграє роль не сам азимут поляризації , а його зміна. Еліптичність і кут еліптичності величини абсолютні, оскільки система координат в площині рис., тобто у напрямку, перпендикулярному напрямку поширення пучка, ані товщина еліпса, ані напрямок обертання світлового вектора не змінюється. Еліпс поляризації можна розкласти на ортогональні компоненти, згідно досліду Френеля-Араго такі компоненти будуть складатись по інтенсивності (без інтерференції). В обраній системі координат між компонентами буде певна різниця фаз (довільна).

В більшості вип. переходять до канонічної (власної) системи координат еліпса. Ця система пов’язана напіввісями, і тоді еліпс поляризації вкладається у скриньку. У СК (х’0у’) ортогональними компонентами будуть напівосі a та b, в такій системі координат і лише в такій різниця фаз між ортогональними компонентами є цілком визначеною і складає («+»– за год. Стрілкою, «-» – проти). Окрім азимута поляризації , еліптичності і кута еліптичності , вводять наступні еліптичні параметри:

• інтенсивність пучка ;

• Якщо пучок поляризований частково, його можна розглядати, як сукупність повністю і неповністю поляризованих компонент. У цьому вип. вводять ступінь поляризації як відношення інтенсивності повністю поляризованої компоненти до загальної інтенсивності:

,

– інтенсивність повністю поляризованої компоненти,

– інтенсивність неполяризованої компоненти

• Іноді замість ступеня поляризації використовують похідну величину – ступінь деполяризації:

,

8) Типи і форми поляризацій. Ортогональні поляризації

Визначають три основні типи поляризації:

1. лінійна

2. еліптична

3. циркулярна

Лінійний тип вкл. в себе безліч форм або станів, які відрізняються між собою азимутом поляризації (напрямком коливань вектора ).

Циркулярний тип вкл. в себе лише дві форми: праву та ліву циркуляції.

Еліптичний тип вкл. в себе безліч форм або станів, які відрізняються між собою азимутом поляризації , абсолютним значення еліптичності («товщиною») і напрямком обертання світлового вектора.

Всередині кожного типу поляризації виділяють ортогональні форми поляризації.

Лінійно поляризовані пучки є поляризаційно ортогональними, якщо іх азимути поляризації відрізняються на .

Ліво і право циркулярно поляризовані пучки є поляризаційно ортогональними.

Еліптично поляризовані пучки є поляризаційно ортогональними, якщо їх азимути поляризації відрізняються на 90 , абсолютні значення еліптичності однакові (еліпси подібні), а напрямки обертання світлового вектора протилежні.

Такі пари є фундаментальними:

• їх споріднює те, що незалежно від когерентності, вони складаються по інтенсивності;

• у будь-якому процесі взаємодії світла з речовиною, який супроводжується зміною стану поляризації пучка, відбувається розклад виключно на поляризаційно ортогональні складові. Цей розклад може бути по яких завгодно складових (циркулярних, еліптичних), але обов'язково ортогональних.

Розклад на лінійно поляризовані складові довільно поляризованого пучка природно здійснюється при відбиванні та заломленні світла на границі розподілу двох прозорих середовищ (рис.)

p і s компоненти зазнають різних коефіцієнтів відбивання в залежності від кута падіння пучка так, що s-компонента відбивається завжди для кутів від 0 до 90 , а p-компонента при певному куті падіння, який визначається співвідношенням і у відбитому пучку зникає; це явище на границі розділу двох середовищ визначається законом Брюстера. При куті Брюстера, якщо пучок повністю лінійно поляризований (є лише p компонента ), відбитий пучок зникає і відтак повністю переходить в друге середовище.

На розкладі поляризованого пучка на поляризаційно ортогональні складові базується застосування поляризаційних елементів (в іх основі лежать явища двопроменезаломлення і дихроїзму).

Дихроїзм – відмінність у поглинанні поляризаційно ортогональних пучків так, що пучок з певним типом поляризації повністю проходить чере дихроїчний матеріал, а пучок з ортогональною складовою повністю поглинається.

Двопроменезаломлення – це відмінність показника заломлення деяких кристалів для двох поляризаційно ортогональних пучків; з відмінності показника заломлення випливає і відмінність у швидкостях поширення ортогонально поляризованих пучків у кристалі.

Якщо дві компоненти пучка є синфазними на вході кристала, то за рахунок різної швидкості поширення на виході між ними виникає певна різниця фаз.

Зміна фазових співвідношень між компонентами при збереженні співвідношення амплітуд зумовлює відмінність стану поляризації пучка на виході порівняно зі станом поляризації падаючого пучка.

Явище двопроменезаломлення використовується для утворення циркулярно поляризованих пучків. Лінійно поляризований пучок у певному напрямку падає на двопроменезаломлюючий кристал, в середині кристала він розкладається на два лінійно поляризовані ортогональні пучки – звичайний (ordinary) і незвичайний (extraordinary) промені. Товщина кристалу (геометрична) підбирається таким чином, щоб оптична різниця ходу між двома пучками складала , як правило

d – геометрична товщина кристала.

/4-платівки використовуються, як для формування циркулярно поляризованих пучків так і для аналізу (вимірювання) поляризації світла.