Поляризація світлової хвилі

Електромагнітні хвилі довжиною сприймаються людським оком як видиме світло. В електромагнітній хвилі коливаються вектори і , однак слід підкреслити особливу важливість коливань саме електричного поля. Як показує дослід, фізіологічне сприйняття світла (наприклад, оком людини і тварини), а також фотохімічна дія світла (фотоефект) викликаються коливанням вектора . Про магнітний вектор світлової хвилі практично згадувати не будемо.

В силу поперечності електромагнітної хвилі світловий вектор завжди перпендикулярний до напрямку розповсюдження хвилі променя (рис.6.6)

Рис. 6.6

Звичайні джерела світла є сукупністю великої кількості елементарних випромінювачив (атомів або молекул), які випромінюють хвилі незалежно один від одного з різними напрямками світлових векторів . Накладаючись одна на одну, ці хвилі утворюють результуючу хвилю, в якій напрямки коливань результуючого вектора Е швидко і хаотично змінюють один одного і з однаковою ймовірністю можуть відбуватись у всіх напрямках. Таке світло називається природнім або неполяризованим.

У поляризованих світлових хвиль, на відміну від неполяризованих, орієнтація світлового вектора в будь якій точці простору протягом часу залишається незмінною, або змінюється по певному закону. Так, якщо коливання світлового вектора відбувається тільки в одній площині світло називається плоско або лінійно поляризованим (див. рис. 6.3).

Впорядкованість може полягати в тому, що вектор повертається навколо променя, і одночасно змінює свою величину, в результаті кінець вектора описує еліпс (рис. 6.7,а).

а) б)

Рис. 6.7

Таке світло називається еліптично поляризованим. Якщо кінець вектора Е описує коло, світло називається поляризованим по колу (рис.6.7,б). Світло, у якого зміни напрямку світлового вектора в просторі впорядковані лише частково, називається частково поляризованим. Його можна розглядати, як суміш природного і поляризованого світла.

Око не відрізняє природне світло від поляризованого, але є цілий ряд явищ властивих тільки поляризованому світлу, завдяки яким воно знаходить практичне використання. Наприклад, при вивченні різних фізичних властивостей речовини (зокрема полімерів), складу і будови молекул, структури кристалічних решіток; дослідження мінералів; кількісного аналізу речовини (визначення концентрації цукру в розчинах).

Поляризоване світло можна одержати з природного світла. Процес одержання поляризованого світла називають поляризацією світла. Існує декілька способів поляризації природного світла. Один з них - це одержання поляризованого світла при його відбиванні або заломленні. Так при відбиванні від поверхні діелектрика, природне світло буде повністю поляризоване, якщо тангенс кута падіння дорівнює показнику заломлення діелектрика: . Це співвідношення називається законом Брюстера. Кут називають кутом повної поляризації або кутом Брюстера.

На практиці для отримання лінійно-поляризованого світла користуються спеціальними оптичними пристроями - поляризаторами. До найбільш розповсюджених типів поляризаторів відносяться кристали турмаліна, поляризаційна призма Ніколя і поляризаційні плівки. Дія цих пристроїв основана на тому, що вони пропускають світлові коливання, які відбуваються тільки в певній площині. Щоб це зрозуміти. Розглянемо більш просте явище - поляризацію хвилі, що розповсюджуються при коливаннях мотузка. Мотузок можна змусити коливатись у вертикальній, або у горизонтальній площині (рис. 6.8).

В обох випадках хвиля виявляється плоскополяризованою, тобто усі коливання відбуваються в одній площині.

Якщо на шляху хвилі поставити перешкоду з вертикальною щілиною (рис. 6.9,а), то поляризована хвиля пройде крізь неї, а горизонтально поляризована через перешкоду не проходить (рис.6.9,б).

Так само оптичні поляризатори без перешкоди (без витрат) пропускають світловий промінь однієї поляризації і поглинають світло, яке поляризоване в перпендикулярній площині.

а) б)

Рис. 6.8

Рис. 6.9

Р ис.6.10

Наприклад, вертикальний поляризатор пропускає тільки вертикальну складову падаючої хвилі (рис. 6.10).

Таким чином, поляризатори вільно пропускають коливання, що паралельні площині, яку називають площиною поляризатора, а напрямок у якому коливається вектор називають дозволеним напрямком поляризатора.

Як це виникає, можна пояснити розглядаючи структуру молекул з яких складається поляризатор. Необхідно щоб речовина поляризатора мала анізотропні властивості (різні у різних напрямках), щодо електричних коливань.

Уявимо собі, наприклад, що більшість молекул поляризатора мають витягнуту форму в горизонтальному напрямку і електрони будуть коливатись вздовж осей молекул.

Якщо вектори коливаються в горизонтальній площині, вздовж осей «довгих» молекул, то електрони будуть переміщуватись вздовж молекул. Тобто в цьому напрямку виникає електричний струм, який називають поляризаційним. Електричне поле буде здійснювати певну роботу, яка витрачається на збільшення внутрішньої енергії речовини поляризатора. Отже, якщо вектор паралельний молекулам (лежить в горизонтальній площині), то електрична хвиля поглинається (її енергія зменшується).

Коли ж вектори коливаються перпендикулярно осям «довгих» молекул (у вертикальному напрямку), то електрони практично не коливаються, електричне поле не буде здійснювати роботу і поглинання відсутнє.

Таким чином, із електричних коливань звичайного світла, з будь-якими напрямками, через поляризатор проходять (без поглинання) тільки ті, які здійснюються у площині, що відповідає мінімуму поляризаційного струму, решта коливань поглинається.

Одним з найбільш поширених поляризаторів є призма Ніколя або ніколь (за ім’ям шотландського вченого У. Ніколя). Вона являє собою подвійну призму з ісландського шпату, яка склеєна вздовж лінії АВ канадським бальзамом з (рис. 6.11).

Рис.6.11

В деяких анізотропних кристалах, у тому числі ісландському шпаті, спостерігається незвичайне явище подвійного променезаломлення. У таких кристалах існує напрямок, який називають оптичною віссю (вісь на рис. 6.11). Якщо звичайне світло входить у кристал вздовж оптичної осі, то нічого аномального не виникає. Але, якщо природне світло падає під кутом до оптичної осі, то в кристалі виникає два заломлених променя.

На рис.6.11 показано, що промінь природного світла, який падає на грань призми Ніколя розщеплюється на два променя: звичайний (1) і незвичайний (2). Назву незвичайного промінь отримав тому, що він практично не заломлюється на гранях призми. Обидва промені однакові по інтенсивності і повністю поляризовані. Площина поляризації звичайного променя перпендикулярна площині рисунка. Площина поляризації незвичайного променя співпадає з площиною рисунка. Звичайний промінь, внаслідок повного відбивання від границі АВ відхиляється і поглинається зачорненою поверхнею призми. Таким чином, з призми виходить один плоскополяризований промінь.

Уявимо тепер, що на поляризатор падає пучок плоскополяризованого світла, і між площиною поляризації світла і площиною поляризатора є кут (рис. 6.12.).

Рис.6.12

Після поляризатора світло буде поляризоване у площині, яка паралельна площині поляризатора. Таким чином, через поляризатор проходить тільки складова , а складова поглинається. Амплітуда світлового вектора на виході поляризатора зменшується:

.

Інтенсивність світла пропорційна квадрату амплітуди світлового вектора, тому інтенсивність світла яке пройшло через поляризатор визначається формулою:

,

де - інтенсивність падаючого світла;

- кут між площиною поляризатора і площиною поляризації падаючої хвилі.

Це співвідношення носить назву закону Малюса.

Щоб дослідити, чи дійсно світло після проходження поляризатора є плоскополяризованим, на шляху променя ставлять другий поляризатор, який називають аналізатором. Назва вказує, на те, що він використовується для аналізу поляризованого світла, але фактично він є таким самим поляризатором.

Якщо дозволені напрямки поляризатора і аналізатора утворюють кут (рис. 6.13), то амплітуда коливань на виході аналізатора буде менше амплітуди світлових коливань на виході поляризатора:

.

Рис. 6.13

Якщо дозволені напрямки поляризатора і аналізатора перпендикулярні ( ), то через аналізатор світло не проходить.