14.2. Естественный и поляризованный свет

Большинство источников света (солнце, лампы накаливания, газораз­рядные лампы) испускают так называемый естественный свет. Этот свет представляет собой совокупность электромагнитных волн, испущен­ных отдельными атомами и молекулами. Каждый атом (или молекула) испускает электромагнитные волны чаще всего самопроизвольно и неза­висимо от других атомов и молекул. Поэтому такие волны не являются когерентными.

Формулы (14.1) можно использовать для описания одной из электро­магнитных волн частоты ω, входящих в состав естественного света. В этом случае фазы а_х и a_z являются случайными функциями времени Поэтому

t. Поэтому направление вектора Е в произвольной точке пространства будет быстро и хаотично изменяться с течением времени. При этом век­тор Е будет всегда перпендикулярен вектору скорости v, а его модуль может изменяться, но не так быстро, как его направление.

Свет, описываемый формулами (14.1), можно рассматривать как суперпозицию двух плоскополяризованных волн, векторы напряженности электрического поля которых колеблются во взаимно перпендикуляр­ных направлениях. Если каким-либо способом уменьшить амплитуду

колебаний одной из компонент вектора Е, то получим так называемый частично поляризованный свет. Пусть, например, в формулах (14.1) ам­плитуда Е_тх больше, чем амплитуда Е_тz. Тогда свет, плоскость коле­баний которого проходит через ось х, будет обладать наибольшей интен­сивностью I_тах; а свет, плоскость колебаний которого проходит через ось z, - наименьшей интенсивностью I_min. Отношение

P= (I_max - I_min)/ (I_max + I_min) (14.9)

называют степенью поляризации частично поляризованного света. Для естественного света I_min - I_max и Р = 0. Для плоекополяризованного света I_min = 0 и Р = 1.

Устройства, с помощью которых можно получить поляризованный свет из естественного, называются поляризаторами. Действие поляри­заторов основано на явлении поляризации света при отражении и пре­ломлении на границе раздела диэлектриков и на явлении поляризации света при двойном лучепреломлении в кристаллах.

14.3. Поляризация света при отражении и преломлении

Пусть на границу раздела двух диэлектриков с различными показате­лями преломления п₁ и п₂ падает луч естественного света. Обозначим

компоненту вектора напряженности Е электрического роля, перпенди­кулярную плоскости падения, как E_┴, а лежащую в плоскости падения

- Е_║. В естественном свете амплитуды компонент Е_┴ и Е_║ равны между собой.

При отражении и преломлении естественного света на границе разде­ла двух диэлектриков свет частично поляризуется, т.е. в отраженном

278

луче преобладают колебания вектора Е_┴, перпендикулярные плоскости падения, а в преломленном луче - колебания вектора Е_║ в плоскости падения (рис. 14.5). Теория Максвелла позволяет найти связь ампли­туд колебаний векторов Е_┴_ и E_║ в отраженном и преломленном лучах с амплитудами колебаний напряженности в падающем луче (формулы Френеля), а также соответствующие коэффициенты отражения

ρ_┴ = I_┴._отp / I_{┴ Пад}

ρ_║ = I_║отр/ I_{║ Пад}

Здесь I_{┴ Пад} и I_{║ Пад} ~ интенсивности ┴ и ||-компонент в падающем луче, I_┴._отp и I_║отр ~ интенсивности компонент в отраженном луче.

На рис. 14.6 представлена зависимость коэффициентов отражения ρ_s и ρ_p от угла падения а при падении света на стекло, для которого по­казатель преломления имеет значение п = 1,52. Из рисунка видно, что при всех углах 0 < а < π/2 s-компонента имеет больший коэффициент отражения, следовательно в отраженном свете s-колебания будут преоб­ладать над р-колебаниями.

0⁰ 30° 60° 90°

Угол падения а

Рис. 14-5. Поляризация света

при Рис. 14.6. Коэффициенты отражения света отражении от стекла

При некотором значении а_B угла падения а, называемом углом Брю-стера, компонента Е_║не отражается. В этом случае отраженный свет окажется полностью поляризованным перпендикулярно плоскости паде­ния (рис. 14.7). При угле Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны, т.е. сумма угла падения и угла преломления β равна π/2

279

Рис. 14.7. Угол Брюстера

Поэтому с учетом закона Снеллиуса (преломление )

sin a/sinβ=n₂/n₁

будем иметь (14.10)

Соотношение (14.10) называют зако­ном Брюстера. Рис. 14.7 относится к случаю падения света из воздуха (n₁ = 1) на стекло (n₂ = 1,52). При этом угол Брюстера а = 56°40'.

Преломленный луч поляризован всегда лишь частично, в нем преоб­ладают колебания, происходящие в плоскости падения. Степень поляри­зации преломленного луча становится наибольшей при угле падения а_B.Чтобы достичь еще большей степени поляризации преломленного луча, его пропускают под углом Брюстера через стопу стеклянных пластинок, сложенных одна с другой (стопа Столетова). Если стопа состоит из 8 - 10 пластинок, то проходящий через нее свет практически полностью поля­ризован. Интенсивности отраженного и прошедшего лучей одинаковы и каждая составляет половину интенсивности падающего луча (если пре­небречь поглощением в стекле). Направление колебаний в отраженном и прошедшем лучах взаимно перпендикулярны.

Рассмотрим теперь физическую суть явления поляризации света при отражении от поверхности какого-либо тела. Световая волна при своем движении в веществе заставляет заряды, входящие в состав его моле­ кул, совершать вынужденные колебания, т.е. колебания, частота кото­ рых равна частоте волны. Движущиеся заряженные частицы создают в пространстве переменные электрическое и магнитное поля, т.е. ис­ пускают электромагнитные волны. Эти волны называют вторичными. Волна, отраженная от поверхности тела, представляет собой суперпози­ цию вторичных волн. Преломленная световая волна есть суперпозиция падающей (первичной) волны и вторичных волн, распространяющихся в том же направлении.

280

На заряд q в электромагнитном поле действуют две сила. Электри­ческое поле действует на этот заряд с силой F_e = qE . Действие на заряд магнитного поля определяется силой Лоренца. Причем первая си­ла существенно превышает по величине вторую. Поэтому заряженная частица в электромагнитной волне совершает вынужденные колебания в направлении вектора Е напряженности электрического поля. Движу­щийся заряд испускает электромагнитные волны во всех направлениях. Однако интенсивности этих волн не одинаковы. Наибольшей интенсивно­стью обладают вторичные волны, испущенные в направлениях, которые перпендикулярны скорости движения заряда, т.е. направлению вектора

Е напряженности поля первичной волны. В направлении, в котором

происходят вынужденные колебания заряда, т.е. вдоль вектора Е элек­тромагнитные волны зарядом не испускаются. При падении света на поверхность тела под углом Брюстера направление вынужденных коле­баний зарядов под действием поля Е_║ совпадает с направлением отра­женного луча (рис. 14.7). Поэтому интенсивность I_║отраженного света равна нулю.