41. Круговая (циркулярная) и эллиптическая поляризация света

1. Линейная (плоская ) поляризация: - в процессе распространения волны векторЕ колеблется все время в одной и той же пространственной плоскости (см. Рис.1),которую называют плоскостью колебаний вектора Е (иногда также плоскостьюполяризации волны). Проекция вектора Е на плоскость наблюдения в этом случаебудет иметь вид отрезка прямой линии, в связи с чем эту поляризацию и называютлинейной или же плоской. Отметим, что плоскость колебания магнитного вектораволны будет перпендикулярна плоскости колебаний вектора Е.

2. Круговая (циркулярная) поляризация: - при такой поляризации вектор Е

волны за один период волны делает полный оборот вокруг направления

распространения волны, при этом его длина остается постоянной. В плоскостинаблюдения проекция вектора Е описывает круг, что и определяет название такойполяризации. Если вектор вращается по часовой стрелке (волна должна

распространяться к наблюдателю), то поляризация называется правой круговой, аесли против часовой стрелки – то левой круговой поляризацией.

- Круговая правая (п) и левая (л) поляризация.

Длина вектора Е постоянна.

3. Эллиптическая поляризация: - при этой поляризации вектор Е волны за

один период волны тоже делает полный оборот вокруг направления

распространения волны, но длина вектора Е при этом изменяется таким образом,что конец его описывает в плоскости наблюдения эллипс. . Если вектор Е

вращается по часовой стрелке , то поляризация называется правой, а если против –левой эллиптичной.

э ллиптическая правая (п)

л Е и левая (л) поляризация

Это виды полной поляризации света. Любую из них можно перевести в другую спомощью специальных поляризационных приборов.

Однако свет, испускаемый обычными источниками – солнцем, пламенем,

электрической лампочкой и др. – является неполяризованным и называется

естественным светом.

4. Естественный свет можно рассматривать как совокупность линейно-

поляризованных волн со всеми возможными направлениями колебаний вектораЕ, причем амплитуда этих векторов одинакова во всех направлениях, так что

концы их лежат на окружности:

Этот свет полностью неполяризован, и по своим

поляризационым свойствам существенно отличается

и от линейно-поляризованного и от циркулярно-поляризованного света.

Частично поляризованный свет представляет собой совокупность линейно-

поляризованного и естественного света Его можно рассматривать также как совокупность линейно -поляризованных волн с различными направлениями

колебаний вектора Е,

но амплитуда его не одинакова в различных направлениях, поэтому концы этих векторов лежат не на окружности ( как у естественного света ), а на эллипсе.Форма эллипса может быть разной: от почти круговой (такой свет по своим свойствам близок к естественному), до сильно вытянутой (такой свет уже близок к линейно-поляризованному). Поэтому для более точной характеристики частичнополяризованного света вводится специальный безразмерный параметр: степень

поляризации p , который может принимать значения от нуля до единицы:

Здесь Imax и Imin - интенсивности линейно поляризованных волн вдоль большой и малой осей эллипса.

Полностью поляризованный свет можно преобразовать с помощью специальных поляризационных приборов (компенсаторов и фазовых пластинок) из одной его формы в другую, например линейно поляризованный свет в циркулярно – или эллиптично поляризованный, либо наоборот, но преобразовать полностью поляризованный свет в частично–поляризованный или естественный свет таким прибором невозможно. Но именно такой, неполяризованный, свет излучают обычные источники: солнце, пламя, электрические лампочки и др., и на практике приходится решать обратную задачу - из неполяризованного света получать полностью поляризованный, прежде всего линейно поляризованный свет.

42. Фазовые пластины. Фазовая (волновая) пластина

- это оптический элемент, предназначенный для преобразования состояния поляризации проходящего излучения.

Фазовая пластина создаёт определённую разность фаз между ортогональными линейно-поляризованными компонентами светового излучения.

Длина волны 532, нм

Хроматические фазовые пластины изготовляются на определённую длину волны и отличаются друг от друга нулевым или множественным порядком. Также пластины могут быть полуволновыми (λ/2) или четвертьволновыми (λ/4).

Фазовые пластины нулевого порядка состоят из двух кристаллических пластин, разность толщин которых создаёт разность хода 1/4 или 1/2 длины волны. Оптические оси кристаллических пластин перпендикулярны друг другу. Между собой пластины склеены или на оптическом контакте, или с воздушным промежутком.Фазовые пластины множественного порядка состоят из одной кристаллической пластины толщиной, создающей разность хода (2N+1)/4 или (2N+1)/2 длины волны, где N=1,2,3...

Полуволновые фазовые пластины используются для вращения плоскости поляризации линейно-поляризованного излучения. При циркулярно-поляризованном излучении они служат для изменения направления вращения плоскости.Четвертьволновые фазовые пластины служат для преобразования линейно-поляризованного излучения в циркулярно-поляризованное или эллиптически-поляризованное в линейное при фиксированной ориентации.

Ахроматические фазовые пластины нулевого порядка состоят из двух частей: пластины из кристаллического кварца (SiO2) и пластины из фтористого магния (MgF2).

У этих материалов разные показатели дисперсии двулучепреломления. Поэтому толщины составляющих пластин рассчитываются таким образом, чтобы при определенной ориентации оптических осей, волновая разность хода в получившейся пластине нулевого порядка, слабо менялась в определенном спектральном диапазоне.

Поляризационный светофильтр увеличивает на фотографии визуальную резкость и чистоту цвета. Так, при пейзажной съемке листва деревьев, кроме собственного диффузного отражения, имеет также зеркальное отражение синего света неба. Поляризационный светофильтр позволяет устранить бликующую засветку. За счет этого на фотографии лучше проявляется собственный цвет предметов, увеличивается насыщенность цвета, и с листьев исчезает голубоватый оттенок. Уменьшение засветки кадра рассеянным светом немного увеличивает контраст, что приводит к визуальному увеличению резкости.

Полуволновая и четвертьволновая пластинки. Форма эллипса, описываемого концом вектора Е, определяется свойствами вещества, а также толщиной пластинки и ориентацией вектора Е падающего света. Между двумя лучами (если кристалл одноосный, то это – обыкновенный и необыкновенный лучи) возникает разность фаз

где d – толщина пластинки. Выражение называется разностью хода лучей. Если Δ=λ/4, то разность фаз, вносимая пластинкой, будет π/2, и плоскополяризованный свет превращаетсмя в эллиптически поляризованный, причем оси эллипса совпадают с главными направлениями кристалла. Если же плоскость поляризации падающего света составляет 45˚ с осью, то обыкновенный и необыкновенный лучи имеют одинаковую интенсивность и прошедший свет будет поляризован по кругу. Пластинка и называется; четвертьволновая пластинка.

Пусть теперь Δ=λ/2. Тогда разность фаз будет π, плоско поляризованный свет останется плоско-поляризованным, но плоскость поляризации изменится – повернется симметрично оси Это – полуволновая пластинка.С помощью таких пластинок можно менять состояние поляризации света.

43. ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ - различие оптич. свойств среды, связанное с зависимостью скорости световых волн от направления распространения и их поляризации. О. а. проявляется в двойном лучепреломлении, дихроизме, вращении, плоскости поляризации, а также в деполяризации при рассеянии света в среде, в поляризов. люминесценции и т. д. Только в исключительных условиях оптич. излучение определённых поляризаций и направлений распространяется в оптически анизотропных средах не преобразуясь. В прозрачной оптически анизотропной среде световая волна в общем случае представляет собой суперпозицию двух ортогонально поляризов. волн, имеющих разные скорости распространения.

Классическим кристаллом, служащим для изучения эффекта является кристалл исландского шпата (CaCO3). тот кристалл имеет форму параллелепипеда с углами 78˚ и 102˚ При прохождении света через кристалл луч раздваивается. Это явление носит

название двойное лучепреломление. Лучи поляризованы в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях. Один из лучей (обыкновенный) имеет для всех направлений одно и то же значение показателя преломления, для другого луча (необыкновенного) показатель преломления зависит от направления луча. Для исландского шпата n₀=1.658;1.486<=n_в<=1.658

Даже если луч света падает на поверхность кристалла нормально, один из лучей отклоняется (рис.11.2), и если кристалл вращать вокруг направления падающего луча, этот необыкновенный луч вращается тоже. В кристалле исландского шпата есть одно направление, при распространении света вдоль которого оба луча имеют один и тот же показатель преломления (рис.11.3). Это направление – оптическая ось кристалла. Кристалл исландского шпата – одноосный. Существуют кристаллы (двухосные) в которых есть два направления, вдоль которых не происходит двойного лучепреломления. Однако тогда оба луча необыкновенные.

Всякая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением кристалла (обычно рассматривают главное сечение, содержащее рассматриваемый луч).

При двойном лучепреломлении оба луча полностью поляризованы. Терминология (исторически сложилось): плоскостью поляризации называют плоскость, в которой лежит вектор Н. Плоскостью колебаний – плоскость, в которой лежит вектор Е. Если на кристалл падал естественный свет, то интенсивности обоих лучей одинаковы если нет поглощения. Существуют кристаллы, в которых один луч поглощается сильнее другого, например, турмалин. Это явление наз. дихроизм. В турмалине обыкновенный луч практически полностью поглощается уже на глубине 1 мм.

Рассмотрим теперь падение на кристалл поляризованного света. В этом случае интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей неодинаковы. Действительно, пусть PP’ (Рис.11.4) – плоскость, в которой

колеблется электрический вектор в падающей волне, O’O’’– плоскость главного сечения. Тогда амплитуды колебаний в лучах будут

A₀=Asins

A _e=Acos

а интенсивности лучей соответственно

Отношение интенсивностей

Отношение интенсивностей обыкновенного и необыкновенного лучей зависит от угла φ между плоскостью колебаний в падающем луче и главным сечением кристалла. Эти соотношения называются правилами Малю.