5. Поляризация света

5.1. Естественный и поляризованный свет. Поляризатор и анализатор. Закон Малюса

Естественный и поляризованный свет. Электромагнитная волна является поперечной. Колебания вектора напряженности электрического поля и вектора индукции магнитного поля в электромагнитной волне происходят в перпендикулярных к направлению распространения волны плоскостях. Направление вектора напряженности электрического поля определяет тип поляризации световой волны.

Рис. 5.1

Рис. 5.2

Если колебания вектора  происходят в одной плоскости, такая волна называется плоскополяризованной или линейнополяризованной (рис. 5.1). Плоскость, проходящая через вектор  и направление распространения волны, называется плоскостью колебаний.

Если конец вектора  в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны, описывает эллипс или окружность, то свет соответственно называется эллиптически поляризованным или поляризованным по кругу. Распределение вектора напряженности эллиптически поляризованного света показано на рис. 5.2

Если конец вектора  в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны, совершает беспорядочные колебания, то есть плоскость колебаний постоянно и беспорядочно меняется, то свет называется естественным или неполяризованным. Условно это можно изобразить так, как показано на рис. 5.3, где стрелками показано направление колебаний вектора .

Как правило, естественные источники света (солнце, пламя свечи, электрическая лампа) излучают именно такие, неполяризованные электромагнитные волны. Излучение таких источников представлено в каждый момент времени из световых волн от огромного числа независимо излучающих атомов с различной поляризацией. Каждый атом излучает плоскополяpизованные волны, но плоскости их колебаний никак не согласованы между собой. Поэтому в результирующей волне вектор напряженности электрического поля беспорядочно изменяет свою ориентацию во времени, так что в среднем все направления колебаний оказываются равноправными.

Рис. 5.3

Рис. 5.4

Наконец, можно создать частично поляризованный свет, в котором не все плоскости колебаний одинаково представлены, а имеется некоторое преимущественное направление колебаний вектора  (рис. 5.4). Из рис. 5.4 видно, что вертикальные колебания соответствуют максимальной интенсивности , горизонтальные – минимальной . Частично поляризованный свет характеризуют степенью поляризации , которую определяют как

.

Для плоскополяризованного света ; для естественного света ; для эллиптически поляризованного света понятие «степень поляризации» неприменимо.

В каждый момент времени вектор  может быть спроектирован на две взаимно перпендикулярные оси (рис. 5.5).

.

Это означает, что любую волну (поляризованную и неполяризованную) можно представить как суперпозицию двух плоскополяризованных во взаимно перпендикулярных направлениях волн. Но в поляризованной волне составляющие  и  когерентны, т.е. имеют постоянную разность фаз, а в неполяризованной – некогерентны, то есть разность фаз случайно меняется со временем.

Таким образом, естественный свет можно представить как наложение двух некогерентных электромагнитных волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющих одинаковую интенсивность. Такое представление намного упрощает рассмотрение прохождения света через поляризационные устройства.

Поляризатор и анализатор. Закон Малюса. Свет естественных источников может приобрести частичную или полную поляризацию при взаимодействии с веществом. Поляризация света состоит в выделении из светового пучка колебаний определенного направления. Для этой цели используются специальные устройства – поляризаторы, способные пропускать только составляющую светового вектора , лежащую в некоторой плоскости, называемой плоскостью поляризатора.

П усть на поляризатор падает плоскополяризованный свет с амплитудой  и интенсивностью . Через поляризатор пройдет составляющая колебания с амплитудой  (рис. 5.6), где  – угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризатора. Интенсивность света пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Значит, интенсивность прошедшего света будет пропорциональна . Если обозначить интенсивность прошедшего через поляризатор света через , то получим

.

(5.1)

Соотношение (5.1), определяющее интенсивность света, прошедшего через поляризатор, носит название закона Малюса.

Если на поляризатор падает естественный свет, интенсивность которого , то интенсивность  прошедшего поляризованного света не зависит от ориентации поляризатора и равна половине интенсивности падающего естественного света:

.

Если на пути естественного луча поставить два поляризатора, плоскости которых образуют угол , то из первого поляризатора выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого составит половину интенсивности естественного света. Из второго поляризатора, согласно закону Малюса, выйдет свет, интенсивность которого

.

Отсюда, максимальная интенсивность, равная , получается при  (поляризаторы параллельны). При  (поляризаторы скрещены) интенсивность равна нулю, то есть скрещенные поляризаторы света не пропускают.

Устройство, способное пропускать колеблющуюся только в определенной плоскости составляющую вектора , может использоваться и для анализа поляризованного света; в этом случае оно называется анализатором. Если на анализатор падает частично поляризованный свет, то при повороте анализатора вокруг луча интенсивность проходящего света меняется от максимальной до минимальной. Анализатор пропускает свет полностью, если его плоскость колебаний совмещена с плоскостью пропускания анализатора. Если поворачивать анализатор вокруг луча, то интенсивность проходящего света будет меняться от нуля (поляризатор и анализатор скрещены) до некоторого максимального значения (поляризатор и анализатор параллельны).

П рохождение света через систему поляризатор-анализатор показано схематически на рис. 5.7. Положения плоскостей поляризаторов обозначены стрелками. Если эти плоскости совпадают, свет полностью проходит через анализатор и освещает экран Э (рис. 5.7а). Если они расположены под некоторым углом, то свет проходит через анализатор, но ослабляется тем больше, чем ближе угол к  (рис. 5.7б). Если эти плоскости взаимно перпендикулярны, то свет гасится анализатором (рис. 5.7в).

На рис. 5.8 показана освещенность экрана при изменении угла между плоскостями поляризатора П и анализатора А на . Экран максимально освещен два раза при углах, равных нулю и , и два раза полностью затемняется при значениях угла между главными плоскостями поляризатора и анализатора, равными  и . При остальных значениях углов освещенность имеет промежуточное значение.

Таким образом, вращая анализатор, можно установить положение плоскости колебаний падающего на него поляризованного света.