Поляризация света

Волновая теория света активно развивается в начале XIX века, этим вопросом активно занимались ученые Томас Юнг и Огюстен Френель.  Они развили волновую теорию света, которая была не изучена на тот момент совсем. До этого момента считалось, что свет является распространяющимися в некоторой среде – эфире, при этом распространение происходит продольными волнами.

Позднее в процессе более детального исследования явлений интерференции и дифракции пропал интерес и стал не актуален вопрос о том, как распространяются световые волны — продольно или поперечно. Ученые не могли предположить, это казалось невозможным, что свет распространяется поперечными волнами. Всё из-за того, что по аналогии с механическими волнами, которые не имеют возможности распространяться в жидкой и газообразной среде, а значит придется признать, что эфир — это твердое тело. В ходе экспериментов, более детального изучения постепенно собирались доказательства и факты, которые свидетельствовали о том, что световая волна распространяется поперечно.

Уже к концу XVII века было экспериментально доказано, что кристалл исландского шпата (CaCO3) обладает качеством, которое дает ему возможность раздваивать лучи света, проходящие через него. Если изменять положение кристалла относительно направления первоначального луча, то оба луча, которые проходят через него, будут тоже поворачиваться вслед за кристаллом.  Данному явлению было дано название — двойное лучепреломление.

Что такое поляризация света?

Поляризация возникает при отражении, преломлении, прохождении света

Когда естественный свет направлен на границу раздела двух диэлектриков, например, воздуха и стекла, то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Если на пути отраженного и преломленного света анализатор (например, турмалин), то отраженный и преломленный лучи будут частично поляризованы.

При поляризации света при отражении преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения

При поляризации света при преломлении наблюдаются в большом количестве колебания, параллельные плоскости падения.

Дифракция поляризованного света доказывает, что свет имеет волновую природу, свет может отклонять направление волны от прямолинейного при огибании препятствий.

Интерференция поляризованного света указывает на поперечность световых колебаний, она возникает только в случае, если колебания лучей совершаются в одном направлении.

Законы поляризации света

В 1809 году французский физик Этьен Малюс открыл закон, который был названный в честь него. В опытах Малюса свет пропускался через 2 идентичные пластинки из прозрачного кристаллического вещество зеленого цвета — турмалина, которые были сложены вместе. Когда грани или оси кристаллов были параллельны, они хорошо пропускали свет, если же угол наклона между кристаллами менялся на величину φ, затем достигал определенного значения, то свет сквозь пластины турмалина не проходил.

Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2 φ: I ~ cos2 φ.

Для продольных волн направление движения луча считается осью симметрии.

В продольной волне все направления в пространстве, которые перпендикулярны лучу, имеют равноправное значение.

В поперечной волне, например, в волне, идущей по жгуту из резины, направление колебаний жгута и перпендикулярное ему направление не равноправны. На рисунке изображена поперечная волна на резиновом жгуте. Колебательные движения частиц проходят вдоль оси y. При изменении положения и повороте щели S произойдет затухание волны.

Приходим к выводу, что асимметрия относительно направления распространения волны является главным отличительным признаком поперечной и продольной волны.

Томас Юнг в 1816 году впервые предположил и высказал свои догадки относительно поперечности световых волн. Огюстен Френель, занимающийся экспериментами в области физики, независимо от Т. Юнга, также выдвинул теорию о поперечном распространении световых волн. Он подтвердил ее огромным количеством экспериментов, впервые сформулировал теорию двойного лучепреломления света в кристаллах.

В середине 60-х годов XIX века Джейм Клерк Максвелл на основе имеющихся данных о совпадении значений скоростей распространения света и электромагнитных волн, впервые сформулировал доводы о природе света.

Ученый утверждал, что свет – это особый вариант электромагнитных волн. К тому времени было доказано, что световые волны распространяются поперечно, это доказывали поведенные эксперименты. Основываясь на эти доказанные данные Максвелл предположил, что поперечность электромагнитных волн является еще одним важным доказательством в пользу его утверждений об электромагнитной природе света. С того момента теория света приобрела необходимую должность, пропала необходимость вводить особую среду для передачи волн — эфир, который нужно было считать твердым телом.

Вектора \[\vec{E}\] и \[\vec{B}\] условиях электромагнитной волны направлены перпендикулярно друг другу, расположены в плоскости, которая перпендикулярна направлению распространения волны.

В каждом из взаимодействий света с веществом электрический вектор \[\vec{E}\] играет главную роль, основываясь на этом его называют световым вектором.

Виды поляризации света

Линейно поляризованная (плоско поляризованная) волна возникает при распространении электромагнитной волны, когда световой вектор сохраняет свою направленность, колеблется только в одной определенной плоскости.

Термин и понятие поляризации света был впервые предложен в науке Малюсом в 1808 году, он использовал его для объяснения процессов, происходящих с поперечными механическими волнами.

Эллиптически поляризованная волна возникает в случае сложения двух монохромных волн, если две монохромные волны, которые распространяются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, вдоль одного и того же направления.

Размер и форма эллипса поляризации зависят от амплитуд ax и ay линейно поляризованных волн, а также определяются фазовым сдвигом Δφ между ними.

Волна с круговой поляризацией (ax = ay, Δφ=±π/2) — это особый случай эллиптически поляризованной волны.

Пространственная структура эллиптически поляризованной волны показана на рисунке 6.

Поляризация искусственного и естественного света

В большинстве своем свет, который мы видим вокруг себя является неполяризованным.

Линейно поляризованный свет исходит от лазерных источников.

При отражении или рассеянии свет может стать поляризованным. Например, голубой свет от неба полностью или частично поляризован.

Но свет, который излучают естественные или искусственные источники, например, солнечный свет, излучение ламп накаливания, вектор напряженности колеблется в разных направлениях, такой свет является неполяризованным. Свет, исходящий от такого рода источников, состоит из вкладов огромного числа независимо излучающих атомов, они обладают разной ориентацией светового вектора \[\vec{E}\] в волнах, которые они излучают. Поэтому в результирующей волне вектор во времени хаотично изменяет свою ориентацию, в результате получаются в среднем равноправные направления колебаний.

Естественный свет — это другое название неполяризованного света.

Степень поляризации естественного света будет зависеть от угла падения и материала отраженных поверхностей.

Вектор \[\vec{E}\] может быть спроецирован на 2 плоскости, которые взаимно перпендикулярны, в любой момент времени.

Это означает, что поляризованную и неполяризованную волну можно представить как суперпозицию двух линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях волн: \[\vec{E}(t)=\overrightarrow{E_{x}}(t)+\vec{E}_{y}(t)\].

При этом в поляризованной волне обе составляющие Ex (t) и Ey (t) когерентны, то есть разность фаз между Ex (t) и Ey (t) постоянна, а в неполяризованной волне составляющие Ex (t) и Ey (t) – некогерентные, то есть разность представляет собой случайную функцию времени.

Явление двойного лучепреломления света можно объяснить тем, что во многих кристаллических веществах показатели преломления волн различны, при этом они линейно поляризованы, а плоскости взаимно перпендикулярны.

Это объясняет тот факт, что кристалл исландского шпата раздваивает проходящие через него лучи (РИСУНОК 1). На выходе из кристалла два луча линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Анизотропные кристаллы — это материалы, в которых происходит двойное лучепреломление.

С помощью разложения вектора \[\vec{E}\] на составляющие по осям можно разъяснить закон Малюса (РИСУНОК 2).

Этой особенностью обладают пластины турмалина, которые использовал Малюс в своих опытах. Имея определенную толщину пластина турмалина почти полностью поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн (например, Ex) и частично пропускает вторую волну (Ey).

Направление колебаний электрического вектора в прошедшей волне называется разрешенным направлением пластины.

Пластину турмалина можно применить для получения поляризованного света, тогда она выступает в роли поляризатора, или для анализа поляризации света, тогда она является анализатором.

В настоящее время активно используются искусственные дихроичные пленки — поляроиды. Они почти целиком пропускают волну разрешенной поляризации, но не пропускают волну, поляризованную в перпендикулярной плоскости. Приходим к выводу, что поляроиды — это идеально подходящие поляризационные фильтры.

На рисунке 8 представлено прохождение естественного света через два идеальных поляроида П1 и П2, при этом разрешенные направления их повернуты друг относительно друга на некоторый угол φ.  

Первый поляроид является катализатором, он превращает естественный свет в линейно поляризованный.

Второй поляроид в данной паре выступает в роли анализатора, служит для анализа характера поляризации, падающего на него света.

Амплитуду линейно поляризованной волны после прохождения света через первый поляроид можно обозначить в виде \[E_{0}=\sqrt{I_{0} / 2}\], это приводит к тому, что пропущенная вторым поляроидом волна будет иметь амплитуду E = E₀ cos φ.

Получаем, что интенсивность поляризации света I линейно поляризованной волны на выходе второго поляроида будет записана следующим образом: \[I=E^{2}=E_{0}^{2} \cos ^{2} \varphi=\frac{1}{2} I_{0} \cos ^{2} \varphi\].

Это доказывает, что в электромагнитной теории света, закон Малюса можно объяснить путем разложения вектора \[\vec{E}\] на составляющие.

Где применяется явление поляризации света

Явление поляризации света служит помощником в обычной жизни человека, а также активно используется в технике, научных исследованиях и экспериментах. Многие современные приборы, устройства работают на основе этого явления.

Сферы применения поляризации света:

• для регулировки интенсивности освещения, устранения бликов. Примером служат поляризационные очки, которые защищают от бликов солнечного света от водной глади, а также защищают глаза водителей при свете встречных фар;
  
• для создания оптических эффектов, например, в 3D-кино, где поляризация применяется для разделения изображений, которое должен получить правый и левый глаз;
  
• круговая поляризация света используется в антеннах для передачи сигнала между космическими кораблями и объектами в;
  
• для повышения контраста прозрачных объектов;
  
• активно используется для экспериментов, научной деятельности, исследований, на явлении поляризации основана поляризационная микроскопия.