Степень поляризации света

Поляризация света — понятие, определение

Поляризация — это явление направленного колебания векторов напряженности в электромагнитной волне. Возникает только в поперечных волнах.

Поляризация возникает при распространении волн в анизотропных средах (кристаллах), при отражении и преломлении волн на границе раздела сред. Явление было открыто Христианом Гюйгенсом в 1678 году, термин введен французским ученым Этьеном Луи Малюсом в 1808 году.

В начале XIX столетия утверждение, что свет — это электромагнитная волна, а не упругое возмущение эфира, казалось нелепым, но позже было доказано, что свет — это гармонические колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся в пространстве.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Электромагнитные волны почти всегда обладают свойствами поперечных волн, поскольку вектора напряженности в них колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Продольными электромагнитные волны бывают только в сильно диспергирующих средах.

Свет от естественных источников обычно не поляризован: он является смесью пакетов волн со всевозможными направлениями поляризации, и потому через поляризатор, независимо от угла его поворота, всегда проходит примерно одинаковое количество лучей. А вот излучение лазера, как правило, линейно поляризовано, даже если это маленькая лазерная указка.

Поляризация бывает круговой, эллиптической и линейной — в зависимости от формы кривой, вычерчиваемой концом вектора амплитуды. Если направление вектора \(\overrightarrow Е\) неизменно, волна называется линейно поляризованной, а линия, вдоль которой он колеблется, — направлением поляризации. Плоскость, в которой кроме вектора \(\overrightarrow Е\) лежит еще вектор скорости волны, называется плоскостью поляризации.

Если же направление вектора \(\overrightarrow Е\) изменяется, и он вращается вокруг вектора скорости волны, то поляризация называется круговой. В данном случае проекциями вектора \(\overrightarrow Е\) на две взаимно перпендикулярные оси будут самостоятельные гармонические волны: одна из них отстает от другой на четверть длины волны.

Можно сказать, что круговая поляризация — результат сложения двух линейно поляризованных волн. Если же складываются две волны круговой поляризации, у которых векторы \(\overrightarrow Е\) вращаются в противоположных направлениях, получается линейно поляризованная волна.

В самом общем случае вектор \(\overrightarrow Е\) при вращении периодически изменяет свою длину. Такая поляризация называется эллиптической, круговая и линейная поляризация — ее частные случаи. Круговая или эллиптическая поляризация может быть правой или левой, что определяется направлением вращения вектора.

Чтобы описать поляризацию волны, компоненты вектора напряженности выражают с помощью параметров Стокса, интерпретируя их, как координаты точек, расположенных на сфере, называемой сферой Пуанкаре.

Сфера Пуанкаре
Источник: Википедия, википедия.орг 

Как получить поляризованный свет

В 1808 году французский физик Этьен Луи Малюс случайно посмотрел на отражение заходящего солнца в окне Люксембургского дворца через пластинку исландского шпата, которую постоянно носил с собой. Яркость света при повороте пластинки изменялась. Проделав той же ночью опыты с отражением света от стекла и поверхности воды, он убедился, что отраженный свет действительно гасится, проходя через кристалл.

Малюс сделал вывод, что корпускулы света, как и магнит, имеют полюса, а наблюдаемое явление назвал поляризацией. Он обнаружил также, что лучи, прошедшие через кристалл исландского шпата, полностью поляризованы, а следовательно, полностью гасятся поворотом анализатора — второй пластинки исландского шпата, через которую ведется наблюдение.

Через некоторое время, исследуя проявления поляризации, Огюстен Френель понял, что их можно объяснить, только приняв предположение о поперечном характере световых волн. Теоретические рассуждения о том, как волны огибают препятствия, Френель заменил доказательством интерференции вторичных волн.

Интерференция света — это перераспределение интенсивности световых волн, происходящее благодаря их наложению друг на друга.

Приборы для получения поляризованного света называют поляризаторами, но если с помощью такого прибора измеряются физические параметры исследуемого света, то тот же самый прибор будет называться анализатором.

В первое время проведение экспериментов по изучению поляризации было связано с большими сложностями. Для подобных исследований прежде всего необходим анализатор, т. е. поляризатор, который выделяет свет с определенной поляризацией.

Вначале анализатором служил кристалл исландского шпата, но он давал два пучка одновременно. Поэтому приходилось или ограничиваться изучением тонких пучков, чтобы по-разному поляризованные лучи не накладывались друг на друга, или искать кристаллы большого размера и превосходного качества, без дефектов. 

Позже выяснилось, что поляризованный в одном направлении свет можно получить при отражении под определенным углом, названным углом Брюстера. Это позволило работать с широкими световыми пучками, но при исследовании их поляризации путем поворота анализатора, отраженный луч смещался.

В 1816 году французский физик Жан Батист Био обнаружил, что кристалл турмалина обладает двойным лучепреломлением, но обыкновенный луч в нем поглощается гораздо сильнее, чем необыкновенный. Для выделения луча с определенной поляризацией сегодня широко применяют поляроиды — прозрачные тонкие пленки, которым присуще аналогичное свойство.

Самый известный анализатор изобрел в 1828 году шотландец Уильям Николь. Призма Николя изготовляется из распиленного и снова склеенного кристалла исландского шпата. Обыкновенный луч отражается от распила и отводится в сторону, остается только необыкновенный.

Что такое степень поляризации света, от чего она зависит

В 1811 году француз Доминик Франсуа Араго обнаружил отличия в оптической активности разных веществ — способности изменять направление поляризации света, прошедшего через кристалл. В 1815 году шотландец Дэвид Брюстер установил, что тангенс угла полной поляризации, известного теперь, как угол Брюстера, равен показателю преломления вещества, тем самым выведя формулу для подсчета этого угла.

Закон Брюстера:

\(\tan{\left(\alpha\right)}_{Бр}\;=\;\frac{n_2}{n_1}.\)

Луч, отраженный под углом Брюстера, полностью поляризован и всегда расположен под углом 90 градусов к преломленному лучу. Каждая точка поверхности, куда попадает волна, становится вторичным источником лучей — она провоцирует совместные осцилляции дипольных моментов в диэлектрике на молекулярном уровне. Новые волны, попадая в свободное пространство, при движении вперед создают отраженную и преломленную волну.

Под другим углом граница раздела сред не может отразить 100% света, часть его входит в состав преломленного луча, так что полная поляризация недостижима. Чтобы вычислить степень частичной поляризации, нужно воспользоваться выражением:

\(p = \frac{I_{max} - I_{min}}{I_{max} + I_{min}}.\)

\(I_{max}\) и \(I_{min}\) здесь — максимальная и минимальная интенсивность. Если свет естественный, они равны, и степень поляризации равна нулю.

Для эллиптически поляризованных лучей света понятие степени поляризации не применимо. Она всегда будет равна единице, так как колебания этих лучей полностью упорядочены. Если \(I_{min}\) равна нулю, то степень поляризации будет также равна единице, а поляризатор называется идеальным. Свет при этом будет называться плоскополяризованным.

Закон Малюса

В 1810 году Малюс установил закон: интенсивность луча, прошедшего через анализатор, пропорциональна квадрату косинуса угла поворота анализатора относительно положения максимального пропускания им света. Обыкновенный луч оказался поляризован перпендикулярно необыкновенному.

Кроме того, Малюс продемонстрировал, что луч полностью поляризуется при отражении от поверхности тела под определенным углом, и величина этого угла зависит от свойств вещества.

В каких сферах деятельности применяется поляризация света

Поляризация применяется для создания разных оптических эффектов, например, на ее основе созданы такие технологии, как поляризационная голография и кинематограф IMAX.

Голография — способ записи оптической информации в объемном виде, с сохранением многоракурсности и глубины пространства.

С помощью поляризации можно разделить изображение для правого и левого глаза, а также создать стереоизображения, как в технологиях RealD и MasterImage.

В некоторых случаях необходимо избавиться от слабой естественной поляризации, проявляющейся в бликах на отражающих поверхностях. Для этого существуют специальные поляризационные очки и фильтры для фотографирования.

Физики-оптики продолжают изучать оптические явления, и поляризационные устройства помогают им управлять световыми потоками и измерять их физические параметры. Управлять световыми потоками нужно и светотехникам, которые используют с этой целью специальные устройства — поляроиды.

Насколько полезной была для вас статья?

У этой статьи пока нет оценок.

Заметили ошибку?

Выделите текст и нажмите одновременно клавиши «Ctrl» и «Enter»