Херсонський державний технічний університет Кафедра загальної та прикладної фізики

ОПТИКА Лекція 4.6. Поляризація світла. Дисперсія

	4.6. ПОЛЯРИЗАЦІЯ СВІТЛА. ДИСПЕРСІЯ
	Поляризація світлових хвиль. Види поляризації
	Закони Малюса та Брюстера
	Природна та штучна оптична активність*
	Поглинання світла в середовищі
	Дисперсія світла. Нормальна та аномальна дисперсія
Фазова та групова швидкості. Ефект Доплера

• Поляризація світлових хвиль. Види поляризації

Для опису поляризації світла достатньо розглянути лише один з двох змінних векторів електромагнітного поля (). Найчастіше розглядають саме вектор напруженості вихрового електричного поля електромагнітної хвилі - , тому що він безпосередньо впливає на рух заряджених частинок в речовині. Світло є сумарним електромагнітним випромінюванням великої кількості атомів, що складають його джерело. Атоми джерела світла випромінюють електромагнітні хвилі спонтанно і незалежно один від одного. Тому результуюча хвиля є результатом складання окремих хвиль від багатьох незалежних осциляторів і звичайно є неполяризованою. У такому світлі (електромагнітній хвилі) рівноймовірними є всі напрями коливань в площині перпендикулярній до хвильового вектору , жоден напрям не є окремим, фіксованим.

Поперечна хвиля, в якій напрям коливань у площині перпендикулярній до вектора (або до вектору швидкості , який має той самий напрям) якось упорядкований, не випадковий, називається поляризованою хвилею. Якщо напрям коливань суворо фіксований, а вектор коливається лише в цьому напрямі (вдовж ), то ми маємо справу з плоско поляризованою хвилею.

Плоско поляризована хвиля є частковим випадком більш загальної еліптичної поляризації електромагнітної хвилі. При еліптичній поляризації кінець вектора описує еліпс у площині перпендикулярній до напряму хвильового вектору (до напряму променю). Якщо поглянути на поперечну хвилю у напрямі променю (удовж векторів ), то виродження еліпсу (а) у пряму (б) відповідає розглянутому вище випадку лінійно поляризованої хвилі, а виродження еліпсу в коло(в) – випадку так званої циркулярно поляризованої , або інакше, поляризованої по колу, хвилі.

Неважко збагнути, що сума двох циркулярно поляризованих хвиль з однаковими частотами та амплітудами дає лінійно поляризовану хвилю. Дві лінійно поляризовані хвилі з однаковою частотою та амплітудами, але із взаємно перпендикулярною поляризацією () складаються у циркулярно поляризовану хвилю, якщо мають стабільну в часі різницю фаз, яка дорівнює .

Неполяризоване світло від джерела, що складається з великої кількості атомів, випромінюючих не когерентно і незалежно один від одного, можна поляризувати, використовуючи так звані поляризатори. Це прилади, які пропускають лише коливання, спрямовані паралельно так званій головній оптичній осі поляризатора і затримують коливання, спрямовані перпендикулярно до цієї осі.

В якості поляризаторів використовуються середовища, анізотропні відносно коливань вектору , наприклад прозорі кристали.

• Закони Малюса та Брюстера

Припустимо, що два поляризатори розташовані один за іншим, а кут поміж їх головними оптичними осями дорівнює . Припустимо, що інтенсивність неполяризованого світла на вході системи (білий промінь) дорівнює . Тоді, згідно із законом Малюса:

інтенсивність поляризованого світла на виході системи (косоштрихований промінь) дорівнює:

(4.6.1)

Неважко бачити, що вихідна інтенсивність є максимальною при і нульовою при . Вираз для закону Малюса (4.6.1) не враховує відбиття та поглинання світла, яке завжди має місце під час його проходження крізь поляризатор та аналізатор (Мал.4.6.3). Ці процеси дещо зменшують інтенсивність вихідного променю.

Р озглянемо далі падіння неполяризованого світла на поверхню прозорого (непоглинаючого) діелектрика з показником заломлення з іншого діелектрику() (Мал.4.6.4). Ми вже згадували вище, що під час відбиття та заломлення світла на межі двох прозорих діелектриків відбувається часткова поляризація заломленого та відбитого променів.

Закон Брюстера (1815) стверджує:

Існує такий кут падіння первинного неполяризованого променю на межу розділу діелектриків, що відбитий та заломлений проміні повністю поляризуються.

При цьому вектор поляризації відбитого променю (вектор ) є перпендикулярним до площини падіння (площина рисунку), тоді як вектор поляризації заломленого променю (вектор ) лежить в площині падіння. Зрозуміло, що за такої умови . Так само зрозуміло, що тоді повинна спостерігатися також взаємна перпендикулярність відбитого та заломленого променю. Видно, що цю умову можна записати у вигляді умови Брюстера:

(4.6.2)

Закон заломлення накладає на кути падіння () та заломлення () додаткове обмеження:

(4.6.3)

З рівнянь (4.6.2) та (4.6.3) неважко отримати явний вираз для кута Брюстера:

(4.6.4)

Якщо середовище, на яке падає світло, є поглинаючим (значить, частково, або повністю непрозорим), то повної поляризації заломленого та відбитого променів досягнути не вдається навіть при падінні під кутом Брюстера. Такий кут падіння як у (4.6.4) лише забезпечує максимальний, проте не стовідсотковий, ступінь взаємно перпендикулярної поляризації цих променів. Таким чином, закон Брюстера за таких умов виконується лише із зазначеними обмеженнями.