1.4. Поляризация света

Свет представляет собой электромагнитные волны. Электромагнитные волны характеризуются вектором напряженности электрического поля Е и вектором индукции магнитного поля В. Векторы Е и В расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях и колеблются в одинаковых фазах. Колебания векторов Е и В в изотропной среде происходят перпендикулярно направлению распространения волн – к лучу. Поэтому электромагнитные волны относятся к типу поперечных волн. Говоря о колебаниях в световом луче, обычно понимают под ним колебания вектора Е, который называют световым вектором, так как большинство явлений при взаимодействии света с веществом связано с действием переменного электрического поля на электроны вещества. Плоская световая волна называется линейнополяризованной или плоскополяризованной, если колебания вектора Е происходят в одной плоскости, перпендикулярной фронту волны (ее называют плоскостью поляризации волны). Монохроматическая волна либо линейно поляризована, либо поляризована по эллипсу или по кругу. Естественный свет, испущенный нагретыми телами, является неполяризованным, поскольку направления колебаний вектора Е в каждой точке быстро и хаотично меняется. Смесь естественного и поляризованного света называется частично поляризованным светом. Поляризатором называется устройство, на выходе которого свет линейно поляризован в определенной плоскости, называемой плоскостью пропускания поляризатора. Анализатором называется устройство, определяющее направление колебаний. Естественный свет, пропущенный через поляризатор, становится линейно поляризованным, а его интенсивность уменьшается в два раза (если нет поглощения в плоскости пропускания поляризатора). Один из способов получения поляризованного света состоит в использовании явления отражения и преломления света на поверхности диэлектрика в случае изотропных сред. Падающую световую волну 1-2 можно представить в виде суммы двух волн: волны 1 (вектор Е_||), колебания в которой происходят, например, в плоскости чертежа и волны 2 (вектор E_┴), колебания в которой происходят перпендикулярно плоскости чертежа (рис. 22).

Если угол падения  световой волны 1-2 на границе раздела двух диэлектриков с показателями преломления n₁ и n₂ не равен нулю, то отраженная волна 2 и преломленная волна 1 оказываются частично поляризованными. При угле падения, удовлетворяющем условию tg_Бр = n₂₁ = , отраженный луч полностью поляризован, преломленный луч поляризован частично (закон Брюстера). Здесь _Бр - угол Брюстера или угол полной поляризации, β - угол преломления. Лучи отраженный и преломленный в этом случае взаимно перпендикулярны.

Линейно поляризованный свет интенсивностью I₀, пропущенный через поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол  с плоскостью колебаний световой волны, на выходе приобретает интенсивность I = I₀cos² (закон Малюса). Объясняется это тем, что линейно поляризованный свет с амплитудой Е₀, как и любое колебание можно разложить по правилу параллелограмма на две линейно поляризованные волны: волну, поляризованную в плоскости пропускания (ее амплитуда равна Е₀cos), которая проходит через поляризатор без изменений, и на вторую волну, которая будет поглощена.

Выражение Р = называется степенью поляризации. Например, для плоскополяризованного света I_min= 0 и Р = 1, а для естественного I = I и Р = 0.

Если одна из граничащих сред анизотропная, то явление преломления сложнее.

Кристалл – анизотропное тело, физические свойства которого зависят от кристаллографического направления. Свойства кристалла одинаковы во всех кристаллографических направлениях, которые составляют с оптической осью кристалла равные углы. Плоскость, проходящая через падающий луч и оптическую ось кристалла, называют главным сечением кристалла. В некоторых кристаллах (например, в кристаллах исландского шпата) световой луч испытывает двойное лучепреломление. Двойное лучепреломление – явление раздвоения падающего светового луча на обыкновенный и необыкновенный поляризованные лучи. Обыкновенным называется луч, колебания в котором перпендикулярны плоскости главного сечения (обыкновенный луч поляризован в плоскости главного сечения). Необыкновенным называется луч, колебания в котором расположены в плоскости главного сечения (необыкновенный луч поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости главного сечения). Двойное лучепреломление объясняется различной скоростью распространения обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле (анизотропном теле) и, следовательно, имеющих различные показатели преломления (разные углы преломления).

Призма Николя – поляризатор (поляризационная призма или николь), который представляет собой наклонно разрезанный и склеенный канадским бальзамом кристалл исландского шпата в форме параллелепипеда. Поляризация применяется для выделения из естественного света световых колебаний с определенным направлением вектора поляризации.

Оптически активными веществами называются кристаллы и растворы, которые вращают (поворачивают на некоторый угол φ) плоскость поляризации при прохождении сквозь них света. В кристаллах угол φ = []L пропорционален длине пути L светового луча в теле ( []- удельное вращение), а в растворах угол поворота равен φ = []сL, где с – концентрация оптически активного вещества. Величина  зависит от природы вещества, температуры и длины волны света.

Электрооптический эффект Керра – явление возникновения анизотропии у жидких диэлектриков (ячейка Керра), в которых под действием электрического поля оптическая ось становится параллельной напряженности поля. Разность хода обыкновенного и необыкновенного лучей в ячейке Керра, выраженная в длинах волн, равна = BLE², где В – постоянная Керра, L – длина пути луча в веществе, Е – напряженность поля.