Поляризации света

Волну, в которой направление колебаний светового вектора упорядочено каким-либо образом, называют поляризованной. Если эти колебания происходят только в одной плоскости, проходящей через луч, то волна называется плоско- (или линейно-) поляризованной. Плоскость, в которой колеблется вектор называется плоскостью поляризации. В естественном свете колебания вектора в любой фиксированной точке среды происходят в разных направлениях, быстро и беспорядочно сменяя друг друга. Естественный свет можно представить в любой плоскости, перпендикулярной направлению распространения в виде суммы двух волн с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации.

Поляризаторы. Так называются приборы, которые свободно пропускают колебания светового вектора, параллельные плоскости, которую мы будем называть плоскостью пропускания поляризатора. Колебания, перпендикулярные этой плоскости полностью задерживаются.

Степень поляризации. Между естественным и плоско-поляризованным светом существуют еще и различные промежуточные варианты. Это – частично-поляризованный свет. Когда плоскость пропускания поляризатора параллельна направлению максимального значения вектора , наблюдается максимальная интенсивность пропускания поляризатора, а когда перпендикулярна – минимальная интенсивность пропускания поляризатора. Измеряя эти интенсивности, можно судить о качестве (степени) поляризации частично-поляризованного света.

Частично-поляризованный свет характеризуют степенью поляризации Р, которую определяют как

. (94)

Здесь - интенсивность поляризованной составляющей, - полная интенсивность: . Для плоско поляризованного света Р=1, для естественного Р=0.

Закон Малюса. Поляризаторы можно использовать и в качестве анализаторов – для определения степени поляризации света. Пусть на анализатор перпендикулярно листу падает линейно-поляризованный свет, световой вектор которого составляет угол φ с плоскостью пропускания Р (рис.29). Анализатор пропускает только ту составляющую вектора , которая параллельна плоскости пропускания Р,  . Следовательно, интенсивность пропорциональна квадрату Е, 

. (95)

Это и есть закон Малюса, где I_o – интенсивность падающего плоскополяризованного света. Пусть на систему из двух поляризаторов, плоскости пропускания которых повернуты относительно друг друга на угол φ, падает естественный свет интенсивности I_o. После прохождения первого поляризатора интенсивность уменьшится вдвое из-за равной вероятности любых направлений светового вектора в падающей волне. Таким образом, на второй поляризатор упадет плоскополяризованный свет с интенсивностью I_o / 2. Второй поляризатор согласно закону Малюса пропустит . Подобная схема используется в поляриметрах.

Поляризация при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Если угол падения естественного света на границу раздела двух прозрачных диэлектриков отличен от нуля, то отраженный и преломленный пучки оказываются частично-поляризаванными. В отраженном свете преобладают колебания вектора , перпендикулярные к плоскости падения, в преломленном свете – параллельные плоскости падения. Степень поляризации обеих волн зависит от угла падения.

При некотором значении угла падения отраженный свет становится полностью поляризованным, а его плоскость поляризации перпендикулярной к плоскости падения. Этот угол называется углом Брюстера θ_Бр и подчиняется закону Брюстера:

. (96)

Угол Брюстера θ_Бр является углом полной поляризации. На рис. 30 на отраженном и преломленном лучах показаны направления колебаний вектора . Легко убедиться, что отраженный и преломленный лучи составляют прямой угол, если угол падения = θ_Бр. Для этого достаточно решить совместно (96) и закон Снелла (78). Степень поляризации преломленной волны при падении под углом Брюстера θ_Бр достигает максимального значения, однако эта волна остается лишь частично-поляризованной.

В типичных условиях (например, на границе стекло-воздух) большая часть интенсивности приходится на преломленную волну. Можно повысить степень ее поляризации, последовательно пропуская свет через несколько одинаковых параллельных друг другу пластинок, установленных под углом Брюстера. При достаточно большом числе пластин прошедший свет будет практически полностью линейно поляризованным, а его интенсивность будет равна половине интенсивности падающего света.