3.5.Поляризация света

Свет представляет собой поперечные электромагнитные волны, то есть векторы Е и Н колеблются в направлениях, перпендикулярных скорости распространения волны. В естественном (например солнечном) свете в любой точке светового поля направление колебаний вектора Е непрерывно и хаотично меняется. Такой свет называется неполяризованным. Его можно «упорядочить» – сделать, например, так, чтобы вектор Е колебался все время в одной плоскости (рис.19а). Такой свет называетсяплоско или линейно поляризованным. Можно заставить вектор Е равномерно вращаться. При этом конец светового вектора будет описывать (в плоскости, перпендикулярной направлению распространения) круг (рис.19б) или эллипс (рис.19в). Такая поляризация называется круговой (или циклической), эллиптической и т.п.

Свет, в котором световой вектор как-то упорядочен, называется поляризованным (линейно, циклически, эллиптически и пр.).

Устройства (объекты), превращающие неполяризованный свет в поляризованный, называются поляризаторами. В дальнейшем мы будем говорить главным образом о плоской поляризации световых волн.

Поляризатор пропускает лишь колебания, лежащие в плоскости, параллельной некоторому направлению, называемому главной плоскостью поляризации П. Если вектор Е₀ составляет с плоскостьюП угол (рис.20), поляризатор пропустит лишь составляющую, параллельную плоскостиП, и задержит перпендикулярную составляющую Е₂. Т.к. интенсивность световой волны пропорциональна квадрату амплитуды, то возведя это соотношение в квадрат –

,

его можно заменить соотношением для соответствующих интенсивностей I₀ и I₁ света до и после поляризатора:

. (21)

Соотношение (21) отражает закон Малюса. Если на пути поляризованного светового пучка поставить другой поляризатор, он пропустит световой пучок в соответствии с (21). В частности, если главная плоскость поляризатора перпендикулярна плоскости поляризации светового пучка (=, cos =0), то свет через поляризатор не пройдет. В этом случае поляризатор используется в качестве анализатора ориентации плоскости поляризации первичного светового пучка.

Если на поляризатор падает неполяризованный свет, то на выходе из поляризатора получается пучок поляризованного света. Вектор Е (как и любой другой вектор) можно представить в виде двух проекций на два произвольных направления. Просуммировав все эти проекции за некоторое время, можно неполяризованный свет представить в виде двух пучков одинаковой интенсивности, поляризованных в двух (любых!) взаимно перпендикулярных плоскостях. Интенсивность каждого из них будет равна половине интенсивности исходного светового пучка. Поэтому вне зависимости от ориентации поляризатор пропускает ровно половину неполяризованного света.

Свет может быть частично поляризованным, если в нем преобладает поляризация в некотором направлении. В этом случае интенсивность света, прошедшего через анализатор при его вращении, будет меняться.

3.5.1.Поляризация света на границе двух сред

При падении светового луча на границу двух прозрачных сред он делится на два луча – отраженный и преломленный (рис.21а). Угол падения равен углу отражения, а закон преломления (закон Снеллиуса) известен из школьного курса физики:

, (22)

где – угол преломления,и – абсолютные коэффициенты преломления граничащих сред (их оптические плотности), а –относительный коэффициент преломления.

Исследование световых лучей при их отражении и преломлении показали, что при этом происходит их частичная поляризация: отраженный луч «обогащается» колебаниями вектора Е, которые лежат в плоскости, перпендикулярной плоскости падения (на рис.21 показаны точками), а в преломленный луч проходят преимущественно колебания Е в плоскости падения (черточки). Если изменять угол падения, то при некотором угле весь отраженный луч оказывается поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения (рис.21,б). Шотландский физик Дэвид Брюстер установил, что при этом угол между отраженным и преломленным лучом составляет 90. Из рис.21,б видно, что это равносильно соотношению , откуда. Подставляя это равенство в (22), получаем

. (23)

Соотношение (23) называется законом Брюстера, а угол i_Б – углом Брюстера.

К сожалению, интенсивность отраженного поляризованного луча невелика. Например, от стекла под углом Брюстера отражается всего 15% падающей световой энергии, а 85% уходит в преломленный луч. Чтобы сделать на этом принципе поляризатор, несколько пластинок собирают в стопу (рис.22). Если направить на стопу неполяризованный свет под углом Брюстера, то в результате многократного отражения на пластинках этот луч будет «очищен» от световых колебаний, перпендикулярных плоскости падения, и из стопы выйдет луч, почти полностью поляризованный в плоскости падения.