3 Поляризация света Естественный и поляризованный свет. Степень поляризации. Закон Малюса
Электромагнитные волны являются поперечными волнами, т.е. колебания векторов Е и В перпендикулярны направлению распространения луча.
Поляризованный свет – это свет, у которого направления колебаний вектора Е упорядочены.
1) Если вектор Е колеблется перпендикулярно лучу в направлениях, параллельных одной плоскости, то свет считается плоскополяризованным. Плоскость, в направлении которой колеблется результирующий световой вектор Е в плоско поляризованной волне, в оптике называют плоскостью поляризации.
2) Если вектор Е по мере распространения волны равномерно вращается вокруг луча, такую поляризацию называют круговой.
Естественный свет – это свет, в котором направления колебаний вектора Е равновероятны по всем направлениям вокруг луча.
Прибор, позволяющий из естественного света получить плоскополяризованный, называется поляризатором. Поляризатор пропускает электромагнитные волны, в которых направление колебаний вектора Е совпадает с плоскостью пропускания поляризатора. Направление плоскости пропускания поляризатора называют также осью поляризатора.
Колебания Е совершающиеся в плоскости, образующей с плоскостью поляризатора угол φ, можно разложить на два взаимно перпендикулярных колебания с амплитудами: Emaxcosφ и Emaxsinφ. Первая составляющая волны пройдет через поляризатор П, вторая будет задержана. Интенсивность прошедшей через поляризатор волны будет пропорциональна среднему значению квадрата амплитуды:
,
(2 – 24)
где
.
С учетом коэффициента поглощения k
материала поляризатора интенсивность
света после прохождения сквозь поляризатор
определяется формулой:
.
(2 – 25)
Человеческий глаз у большинства людей не реагирует на поляризованность света. Для того, определить плоскость поляризации света, его пропускают через другой поляризатор называемый анализатором. При вращении анализатора параллельно поляризатору вокруг поляризованного луча, наблюдают за изменением интенсивности прошедшего через анализатор света. Малюс сформулировал закон:
,
(2 - 26)
интенсивность плоскополяризованного света, прошедшего через анализатор, пропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризации анализатора. Оценку степени поляризации света, направленного на анализатор, определяют по формуле:
, (2
– 27)
где
-
максимальная интенсивность света после
анализатора,
- минимум интенсивности света после
анализатора.
Если падающий на
анализатор свет полностью поляризован,
то
и
степень поляризации равна:
,
если свет естественный, то
и P
= 0.
Способы получения поляризованного света
Свет частично поляризуется при отражении, при преломлении, при рассеянии, при прохождении через некоторые кристаллические вещества.
Рассмотрим
механизм поляризации света при его
отражении (рис.15). Пусть на прозрачный
плоский диэлектрик падает естественный
свет. (первичная волна). Распространяющаяся
в диэленектрике волна есть результат
интерференции первичной волны и волн
вторичных источников. Источниками
вторичных волн становятся колебания
электронов диэлектрика, возбужденные
электрическим полем первичной световой
волны. Излучение колеблющегося электрона
(диполя) распространяется преимущественно
перпендикулярно направлению оси
колебания диполя. Поэтому в отраженном
луче доминируют колебания вектора Е
перпендикулярные плоскости рисунка.
Эти колебания на рис.15 обозначены
точками. С изменением угла падения
степень поляризации отраженного луча
изменяется.
Соответственно с поляризацией отраженного луча происходит
частичная поляризация и преломлённого луча (рис.15).
Брюстер установил закон: отраженный луч будет полностью поляризован, когда тангенс угла падения равен относительному показателю преломления граничащих сред:
,
(2 – 28)
где
и
-абсолютные
показатели преломления сред.
Свет поляризуется также при прохождении через некоторые прозрачные кристаллы, например, слюду, кварц, исландский шпат. Это явление получило название двойного лучепреломления (рис.16).
Суть двойного лучепреломления заключается в том, что направленный на кристалл луч разделяется на два плоскополяризованных луча, распространяющихся с разными скоростями. Луч, подчиняющий законам геометрической оптики, назвали обыкновенным (о). Второй луч назвали необыкновенным (е). Плоскости поляризации этих лучей взаимно перпендикулярны. У одноосных кристаллов имеется направление, вдоль которого лучи не разделяются и распространяются с одинаковой скоростью. Это направление называется оптической осью кристалла.
В прозрачных аморфных диэлектриках, двойное лучепреломление можно вызвать внешним механическим действием или электрическим полем. Оптическое действие электрического поля обнаружил в 1875г. Керр. Это явление назвали эффектом Керра.
Устройства на
основе эффекта Керра используются в
качестве оптических затворов со временем
действия порядка
с.
В некоторых кристаллах один из разделенных лучей поглощается сильнее другого (турмалин, сульфат йодистого хинина). Это явление назвали дихроизмом. Обыкновенный луч в сульфате йодистого хинина почти полностью поглощается на пути 0,1мм. Эта особенность хинина широко используется для изготовления поляризационных устройств, называемых поляроидными пленками. Поляроидные пленки широко используются в поляризационных микроскопах, в светофильтрах, для визуализации доменной структуры ферромагнетиков.
Некоторые вещества обладают способностью вызывать вращение плоскости поляризации, при прохождении через них плоскополяризованного света. Такие вещества называют оптически активными средами, к числу их принадлежат кварц, скипидар, никотин, растворы сахара, кислот и т.д. При этом угол поворота плоскости поляризации луча пропорционален толщине слоя раствора и концентрации активного вещества :
,
(2 – 29)
где
- удельная постоянная вращения; С
– концентрация раствора.
Оптически неактивные вещества приобретают дополнительную способность вращать плоскость поляризации луча под действием магнитного поля. Этот эффект обнаружен Фарадеем.