Поляризация света. Методы получения поляризованного света. Закон Малюса. Полная и частичная поляризация. Угол Брюстера. Вращение плоскости поляризации и сахарометрия
Поляриза́ция волн — явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне (например, напряжённостей электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах) относительно направления её распространения. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как возмущения в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения.[1]
Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору. Так что в трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы — вращение вокруг волнового вектора.
Причиной возникновения поляризации волн может быть:
несимметричная генерация волн в источнике возмущения;
анизотропность среды распространения волн;
преломление и отражение на границе двух сред.
Зависимость мгновенных потенциалов при круговой поляризации.
Основными являются два вида поляризации:
линейная — колебания возмущения происходит в какой-то одной плоскости. В таком случае говорят о «плоско-поляризованнойволне»;
круговая — конец вектора амплитуды описывает окружностьв плоскости колебаний. В зависимости от направления вращения вектора может бытьправой или левой.
На основе этих двух или только круговой можно сформировать и другие, более сложные виды поляризации. Например,эллиптическая. В общем случае, круговая поляризация — вещьтеоретическая, на практике же говорят об эллиптической поляризации — с левым или правым направлением вращения.
Закон
Малюса —
физический закон, выражающий зависимость
интенсивности линейно-поляризованногосвета после
его прохождения через поляризатор от
угла
между
плоскостями поляризации падающего
света и поляризатора.
где I0 — интенсивность падающего на поляризатор света, I — интенсивность света, выходящего из поляризатора, ka — коэффициент прозрачности поляризатора.
Установлен Э. Л. Малюсом в 1810 году.
В релятивистской форме
где ω и 
—
циклические частоты линейно поляризованных
волн, падающей на поляризатор и вышедшей
из него.
Свет с иной (не линейной) поляризацией может быть представлен в виде суммы двух линейно-поляризованных составляющих, к каждой из которых применим закон Малюса. По закону Малюса рассчитываются интенсивности проходящего света во всех поляризационных приборах, например в поляризационных фотометрах и спектрофотометрах. Потери на отражение, зависящие от и не учитываемые законом Малюса, определяются дополнительно.
- Свет солнца, являющийся тепловым излучением, не имеет поляризации, однако рассеянный свет неба приобретает частичную линейную поляризацию. Поляризация света меняется также при отражении. На этих фактах основаны применения поляризующих фильтров в фотографии и т. д.
Линейную поляризацию имеет обычно излучение антенн.
По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца.
Есть однако зависящий от показателя преломления такой угол падения БР = arctg n, называемый углом Брюстера, при котором отраженный луч оказывается поляризованным полностью.
Поляризация имеет место и при двойном лучепреломлении, которое состоит в том, что в кристалле световой луч расщепляется на два, поляризованных во взаимно-перпендикулярных направлениях и имеющих различные скорости распространения в кристалле. Исландский шпат является примером такого кристалла (рис. 15.3). Двойное лучепреломление - следствие оптической анизотропии кристаллов: оптические свойства оказываются зависящими от направления в кристалле, что, в свою очередь, связано с анизотропией кристаллической решетки.
Вращение плоскости поляризации поперечной волны — физическое явление, заключающееся в повороте поляризационного вектора линейно-поляризованной поперечной волны вокруг её волнового вектора при прохождении волны через анизотропную среду. Волна может быть электромагнитной, акустической, гравитационной и т. д.
Линейно-поляризованная поперечная волна может быть описана как суперпозиция двух циркулярно поляризованных волн с одинаковым волновым вектором и амплитудой. В изотропной среде проекции полевого вектора этих двух волн на плоскость поляризацииколеблются синфазно, их сумма равна полевому вектору суммарной линейно-поляризованной волны. Если фазовая скорость циркулярно поляризованных волн в среде различна (циркулярная анизотропия среды, см. также Двойное лучепреломление), то одна из волн отстаёт от другой, что приводит к появлению разности фаз между колебаниями указанных проекций на выбранную плоскость. Эта разность фаз изменяется при распространении волны (в однородной среде — линейно растёт). Если повернуть плоскость поляризации вокруг волнового вектора на угол, равный половине разности фаз, то колебания проекций полевых векторов на неё будут вновь синфазны — повёрнутая плоскость будет плоскостью поляризации в данный момент.
Вращение плоскости поляризации электромагнитной волны в плазме при наложении магнитного поля (эффект Фарадея).
Таким образом, непосредственной причиной поворота плоскости поляризации является набег разности фаз между циркулярно поляризованными составляющими линейно-поляризованной волны при её распространении в циркулярно-анизотропной среде. Для электромагнитных колебаний такая среда называется оптически активной (или гиротропной), для упругих поперечных волн — акустически активной. Известен также поворот плоскости поляризации при отражении от анизотропной среды.
В случае акустических колебаний поворот плоскости поляризации наблюдается лишь для поперечных упругих волн (так как для продольных волн плоскость поляризации не определена) и, следовательно, может происходить лишь в твёрдых телах, но не в жидкостях или газах.
САХАРИМЕТРИЯ - метод определения концентрации растворов оптически активных веществ (гл. обр. Сахаров, откуда назв. метода), основанный на зависимости вращения плоскости поляризации от концентрации раствора. С. применяется в пищевой и хим--фармацевтич. промышленности.