ТЕМА № 20 (4лц+4пр+8ср) ― продолжение
3. Поляризация света
3.1. Естественный и поляризованный свет
При изучении интерференции и дифракции мы отвлекались от поперечности световых колебаний (см.1.1) и направление колебаний светового вектора (вектора напряженности электрического поля световой волны) нас не интересовало. Это обусловлено тем, что в естественном свете (т.е. свете, испускаемом обычными источниками) имеются колебания, совершающиеся в самых различных направлениях, перпендикулярных к лучу (рис. 5.1).
Рисунок 5.1. Поляризация естественного света
Лучом называется линия, вдоль которой распространяется световая энергия. Плоскость колебаний для каждой волны ориентирована случайным образом. Поэтому в результирующей волне колебания различных направлений представлены с равной вероятностью.
Обратимся теперь
к изучению явлений поляризации света,
типичных именно для поперечных
колебаний. В естественном свете
(рис. 5.2а) колебания различных направлений
сменяют друг друга. Свет, в котором
направления колебаний упорядочены
каким-либо образом, называется
поляризованным. Свет, в котором
колебания одного направления преобладают
над колебаниями других направлений
называется частично поляризованным
(рис. 5.2б). Если колебания светового
вектора происходят только в одной
проходящей через луч плоскости, свет
называется линейно поляризованным
(или плоскополяризованны) (рис.
5.2в). Упорядоченность может заключаться
в том, что вектор
поворачивается вокруг луча, одновременно
пульсируя по модулю. В результате конец
вектора
описывает эллипс. Такой свет называется
эллиптически-поляризованным (рис.
5.2г). Если конец вектора
описывает окружность, свет называется
поляризованным по кругу (рис. 5.2д).
В зависимости от направления вращения вектора различают правую и левую эллиптическую и круговую поляризацию. Если по отношению к
направлению, противоположному направлению луча, вектор вращается по часовой стрелке, поляризацию называют правой, в противном случае - левой.
Рисунок 5.2. Виды поляризации света
Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны (луч) называется плоскостью поляризации.
3.2. Поляризаторы и анализаторы
Плоскополяризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами. Эти приборы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости поляризатора, и полностью или частично задерживают колебания, перпендикулярные к его плоскости. Реальный поляризатор задерживает перпендикулярные к его плоскости колебания только частично. Идеальный поляризатор (для краткости будем называть его просто поляризатором) полностью задерживает колебания, перпендикулярные к его плоскости, и не ослабляет колебания, параллельные плоскости. Те же приборы, применяемые для исследования поляризации света, называются анализаторами. В качестве таких приборов могут служить кристаллы турмалина.
На выходе из
реального поляризатора получается
частично поляризованный свет. Его можно
рассматривать как смесь естественного
и плоскополяризованного света. Если
пропустить частично поляризованный
свет через поляризатор, то при вращении
прибора вокруг направления луча
интенсивность прошедшего света будет
изменяться в пределах от
до
,
причем переход от одного из этих значений
к другому будет совершаться при повороте
на угол, равный
(за один полный поворот два раза будет
достигаться максимальное и два раза
минимальное значения интенсивности).
Выражение
(5.1)
называется
степенью поляризации. Для
плоскополяризованного света
и
;
для естественного света
и
.
К эллиптически поляризованному свету
понятие степени поляризации не применимо
(у такого света колебания полностью
упорядочены).
Колебание амплитуды
,
совершающегося в плоскости, образующей
с плоскостью поляризатора угол
,
можно разложить на два колебания с
амплитудами
и
(рис. 5.3; луч перпендикулярен к плоскости
рисунка). Первое колебание пройдет через
прибор, второе будет
Рисунок 5.3. Разложение колебания
задержано.
Интенсивность прошедшей волны
пропорциональна
, т.е. равна
,
где
- интенсивность колебания с амплитудой
.
В естественном
свете все значения
равновероятны. Поэтому доля света,
прошедшего через поляризатор, будет
равна среднему значению
,
т.е.
.
Таким образом, при падении на поляризатор
естественного света интенсивностью
,
из него выйдет плоскополяризованный
свет, интенсивность которого
составит половину интенсивности
естественного света, т.е.
.
(5.1)
При вращении поляризатора вокруг направления естественного луча интенсивность прошедшего света остается одной и той же, изменяется лишь ориентация плоскости колебаний света, выходящего из прибора.
Пусть теперь на поляризатор падает плоскополяризованный свет амплитуды
Рисунок 5.4. Прохождение света через поляризатор
и интенсивности
(рис. 5.4). Сквозь прибор пройдет составляющая
колебания с амплитудой
,
где
- угол между плоскостью колебаний
падающего света и плоскостью поляризатора.
Следовательно, интенсивность прошедшего света определяется выражением
.
(5.2)
Соотношение (5.2) носит название закона Малюса.
Поставим на пути естественного луча два поляризатора, плоскости которых образуют угол . Из первого поляризатора выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого будет определяться формулой (5.1). Согласно закону Малюса из второго поляризатора выйдет свет интенсивности, определяемой выражением (5.2). Таким образом, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора, равна
.
(5.3)
Максимальная
интенсивность, равная
,
получается при
(поляризаторы параллельны). При
интенсивность равна нулю - скрещенные
поляризаторы света не пропускают.