29. Поляризация света

1. Естественный и поляризованный свет

К ак известно, электромагнитные волны поперечны. Однако обычно свето­вые волны не обнаруживают асимметрии относительно направления распростра­нения луча. Это объясняется тем, что в естественном свете имеются колебания, совершаемые в самых различ­ных направлениях, перпендикулярных к лучу. А это, в свою очередь, является следствием того факта, что обыч­ный свет является результатом наложения цугов волн, ис­пускаемых отдельными атомами независимо друг от друга. При этом каждый отдельный цуг можно считать линейно поляризованным. Напомним, что свет, в котором колеба­ния светового вектора, упорядочены каким либо образом называется поляризованным. Если колебания светового вектора происходят только в одной плоскости, то свет называется плоско или линейно поляризованным. Плос­кость, в которой колеблется световой вектор (вектор напряженности электрического поля световой ЭМВ), называется плоскостью колебаний. Плоскостью по­ляризации на­зывается пер­пендикулярная к ней плос­кость, проходящая через на­правление луча. В ней колеб­лется вектор напряженности магнитного поля ЭМВ.

Плоско поляризованный свет по­лу­чают из естествен­ного с помощью поляри­за­торов. Устройство поляриза­торов рас­смотрим позднее. На данный момент нас интере­сует их основное свойство: поляри­заторы свободно про­пускают световые волны с плоскостью колебаний, параллельной некоторой плос­кости, которую на­зывают плоскостью поляризатора, и полностью задержи­вают волны с плоско­стью ко­лебаний, перпендикулярной плоскости поляризатора.

2. Закон Малюса

Пусть на поляризатор падает линейно поляризованная волна с плоскостью колебаний, находящейся под углом к плоскости поляризатора. Исходное колебание можно разложить на два с амплитудами и . Колебание полностью задерживается поляризатором, проходит сквозь поляризатор. Если интенсивность падающей волны , то интенсивность прошедшей волны .

В естественном свете все значения равновероятны. Доля света, прошедшего через поляризатор при падении на него естественного света, будет равна среднему значению . При вращении поляризатора вокруг направления пучка естественного света интенсивность прошедшего луча остается неизменной, равной половине интенсивности падающего, – изменяется только ориентация плоскости колебаний прошедшего света.

Поставим на пути естественного света два поляризатора, плоскости которых составляют угол . Из первого поляризатора выйдет плоско поляризованный свет с интенсивностью в два раза меньше, чем у естественного. Через второй прибор пройдет составляющая амплитуды, пропорциональная . Следовательно, интенсивность света прошедшего через оба поляризатора.

(29.1)

Если на поляризатор падает плоско поляризованный свет, то интенсивность прошедшего

. (29.2)

Соотношение (29.2) называется ЗАКОНОМ МАЛЮСА.

3. Частично поляризованный и эллиптически поляризованный свет

Свет, в котором колебания некоторого направления преобладают над колебаниями других направлений, называется частично поляризованным. При вращении поляризатора, на который падает частично поляризованный свет, интенсивность прошедшего света будет изменяться от до . Минимальной интенсивности прошедшего пучка света соответствует ориентация плоскости поляризатора перпендикулярно плоскости колебаний в составляющей, преобладающей в падающем пучке, а – совпадению их ориентаций. Частично поляризованный свет принято характеризовать степенью поляризации Р. По определению

. (29.3)

О чевидно, что степень поляризации плоско поляризованного света равна единице, а естественного – нулю.

Рассмотрим две плоско поляризованные распространяющиеся в одном направлении когерентные волны, плоскости колебаний которых взаимно перпендикулярны. Выберем оси координат так, чтобы

;

В еличины и представляют собой координаты конца результирующего светового вектора. Предположим, что . На рисунках 29.5 – 29.7 показаны векторы , и положения результирующего вектора в моменты времени в течение первой четверти периода. При . Из теории колебаний известно, что два взаимно перпендикулярных колебания одинаковой частоты при сложении дают в объем случае движение по эллипсу. Следовательно, конец вектора движется по эллипсу. Свет, в котором световой вектор изменяется со временем так, что конец его описывает эллипс, называется эллиптически поляризованным. Частными случаями эллипса являются прямая (если амплитуда одного из колебаний равна нулю) и круг (если амплитуды колебаний равны). Отметим, что при , результатом сложения колебаний будет эллипс, но его полуоси не буду совпадать по направлению с осями координат. Например, при в результате сложения будет получаться вырожденный эллипс – прямая, а угол , который она будет составлять с осью координат, будет определяться соотношением амплитуд колебаний. Аналогичной будет ситуация и при .

Обратим внимание на то, что эллиптически поляризованный свет можно превратить в плоско поляризованный, если между волнами, образующими эллиптически поляризованный свет вести дополнительную оптическую разность хода так, чтобы сдвиг фаз между возбуждаемыми ими колебания ми достиг 0 или . В этом случае ситуация при наложении будет соответствовать рисунку 29.8 или 29.9.

Частично поляризованный и естественный свет также можно представить как результат наложения двух плоско поляризованных волн, однако в этом случае волны не должны быть когерентными.