лекции по физике Родин / ЛЕКЦИЯ №25 Естественный и поляризованный свет

ЛЕКЦИЯ № 25 ЕСТЕСТВЕННЫЙ И ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ.

ПОЛЯРИЗАТОРЫ И АНАЛИЗАТОРЫ. СТЕПЕНЬ ПОЛЯРИЗАЦИИ.

луча (кстати, этим отличаются продольные и поперечные волны, продольные – симметричные к направлению распространения).

Для описания закономерностей поляризации будем рассмат-

ривать только световой вектор E вектор напряженности электрического поля.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное из-

лучение множества независимо излучающих атомов, поэтому все

ориентации вектора E будут равновероятны.

Большинство источников (раскаленные тела, газы и т.д.) ис-

пускают свет, который представляет собой совокупность световых

волн со всеми возможными направлениями колебаний векторов E

и H быстро и беспорядочно сменяющими друг друга. Это суммарные электромагнитные излучения множества атомов. Такой свет называется естественным (рис. а).

Поляризованным светом называется свет, в котором направления колеба-

ния вектора E каким-либо образом упорядочены.

Частично поляризованный свет свет с преимущественным направлени-

ем колебаний вектора E (рис б).

Плоскополяризованный свет свет, в котором вектор E колеблется только в одной, проходящей через луч плоскости (рис. в). Эта плоскость называется

плоскостью поляризации.

Если концы вектора E с течением времени описывают в плоскости перпендикулярной лучу, окружность или эллипс, то свет называется циркулярно или эллиптически поляризованным (см. рис.

в).

Из естественного света можно получить плоско-поляризованный с помощью приборов, называемых поляризаторами.

Поляризующие среды могут быть в виде монокристаллических пленок или множества мельчайших кристалликов герапатита, впрессованных в полимерную пленку-матрицу. Действие поляризующих сред (в том числе и естественных, таких, как турмалин и др.) обусловлено дихроизмом молекул вещества. Под дихроизмом следует понимать явление неодинакового поглощения веществом световых волн, имеющих разную поляризацию. В искусственных поляризаторах ориентацию молекул полимера осуществляют с помощью растяжения, сдвиговых деформаций или других специальных технических операций. После таких обработок в поляроиде образуется ось, в направлении которой поглощение практически от-

сутствует. Эта ось называется осью пропускания поляризатора.

Колебания, перпендикулярные этой оси, задерживаются полностью или частично.

Пластинка вещества служащая для анализа степени поляризации вещества называется анализатором. Она точно такая же, как поляризатор и их можно ме-

нять местами. В качестве поляризаторов могут быть использованы среды (веще-

ства), анизотропные в отношении колебаний вектора E (турмалин и др.).

Если через поляризатор пропустить частично-поляризованный свет, т.е. «смесь» естественного и плоско-поляризованного света, то при вращении прибора вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет изменяться от

максимального значения Imax до минимального Imin .

Введем величину, которую назовем степень поляризации:

PImax Imin , Imax Imin

где Imax и Imin – максимальная и минимальная интенсивность света, соответствую-

щие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора E . а) Для естественного света Imax = Imin и P = 0;

б) Для плоско поляризованного Imin= 0 и P = 1.

в) К эллиптически поляризованному свету неприменимо это понятие, т.е. его колебания упорядочены.

ЗАКОН МАЛЮСА.

(Малюс Этьен Луи, Франция, 1775-1812, 1811)

Поляризаторы можно использовать в качестве анализаторов устройств для определения характера и степени поляризации света.

Пусть на анализатор падает плоско-поляризованный свет, век-

тор E0 которого составляет угол с плоскостью пропускания ана-

лизатора Р.

Анализатор пропускает только ту составляющую вектора E0 ,

которая параллельна плоскости пропускания Р, т.е.

E E0 cos .

2

Интенсивность I пропорциональна квадрату модуля светового вектора (I ~ E2), поэтому интенсивность света прошедшего поляризатор определяется законом Малюса:

I = I0cos2,

где I0 и I – интенсивность света падающего и прошедшего поляризатор, соответственно.

Более наглядное представление дает эксперимент. Направим естественный свет с интенсивностью I0 нормально к поверхности пластинки П, вырезанной из кристалла турмалина таким образом, что ее плоскость параллельна оси, в направлении которой поглощение практически отсутствует (рис.).

Поляризатор П пропустит лишь колебания, параллельные его плоскости, которые, в общем случае, образуют угол с осью другой пластинки А.

Разложим эти колебания с амплитудой E0 на две составляющие с амплитудами: EII E0 cos и E E0 sin . Очевидно, что E не пройдет через А, т.к. интенсивность (I ~ E02 ) прошедшего через А света будет равна I I0 cos2 по закону

Малюса для плоскополяризованного света.

Из формулы для I следует, что при вращении А вокруг луча I будет ме-

няться в пределах от нуля, когда 2 (плоскость поляризатора перпендикулярна

плоскости колебаний E ), до Imax I0 при = 0.

Если же на поляризатор падает естественный свет, то угол будет хаоти-

чески меняться во времени (все значения равновероятны), поэтому cos2 12

и

I I0 cos2 I20 закон Малюса для падающего естественного света.

Вращение поляризатора П в этом случае не приводит к изменению I прошедшего поляризованного света (впрочем как и для света с круговой поляризацией).

Поляризаторы П и А называются скрещенными, если угол между их плос-

костями равен 2 . Через такую систему свет не проходит.

Интенсивность I меняется от минимума (полное гашение) при = π/2 (оптические оси перпендикулярны), до максимума при = 0 (оптические оси параллельны).

3

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ПРИ ОТРАЖЕНИИ И ПРЕЛОМЛЕНИИ. ЗАКОН БРЮСТЕРА.

Явление поляризации света наблюдается при отражении и преломлении света на границе раздела двух прозрачных изотропных диэлектриков (например, воздух стекло).

Если угол падения естественного света отличен от нуля, то отраженный и преломленный пучки оказываются частично-поляризованными.

Исследования показали, что в отраженном луче

преобладают колебания вектора E , перпендикулярные к плоскости падения, а в преломленном свете – параллельные этой плоскости.

Степень поляризации отраженного и преломленного света зависит от угла падения естественного света на границу раздела диэлектриков и показателя преломления.

Шотландский физик Брюстер (Брюстер Дэйвид,

Шотландия, 1781-1868, 1815) установил закон, гласящий, что при угле падения iБ

(угол Брюстера) отраженный луч является плоскопараллельным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения). Преломленный луч при угле падения iБ максимально поляризуется.

Угол Брюстера iБ определяется соотношением:

tg iБ = n2 n21 , n1

где n21 – показатель преломления второй среды относительно первой. Отрицательный луч является плоско поляризованным (содержит колебания перпендикулярные плоскости падения). Преломленный луч при угле падения iБ поляризуется максимально, но не полностью.

Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны.

Степень поляризации преломлѐнного света может быть значительно повышена многократным преломлением при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера. Это достигается преломлением на 8÷10 наложенных друг на друга, например стеклянных пластинок, совокупность которых называется стопой Столетова. Вышедший свет будет практически полностью поляризованным.

В отсутствие поглощения интенсивность прошедшего через стопу света будет равна половине интенсивности падающего на стопу естественного света.

Эта идея эффективно используется в газовых лазерах для получения на выходе из лазера плоско-поляризованных лучей.

4