4. Поляризация при отражении и преломлении.

Э кспериментально установлено, что если угол падения света на границу двух диэлектриков не равен нулю, отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, в преломленном параллельные плоскости падения. Степень поляризации света в лучах зависит от угла падения. При угле падения, удовлетворяющем условию:

, (29.4)

( - показатель преломления второй среды относительно первой) отраженный луч оказывается полностью поляризованным. При этом степень поляризации преломленного луча максимальна, но он остается частично поляризованным.

Это утверждение (а не соотношение (29.4) как таковое) называется ЗАКОНОМ БРЮСТЕРА, а соответствующий угол называют углом Брюстера. Воспользовавшись законами отражения и преломления света, не сложно убедиться в том, что при падении света под углом Брюстера отраженные и преломленные лучи взаимно перпендикулярны.

Степень поляризации отраженного и преломленного лучей можно получить из решения уравнений Максвелла с учетом условий на границе диэлектрика. В частности для амплитуды составляющей светового вектора параллельной плоскости падения в отраженном луче имеет место следующая формула:

. (29.5)

где - это угол падения, а - угол преломления.

При , что соответствует углу Брюстера, эта составляющая обращается в нуль. Таким образом, закон Брюстера является следствием уравнений Максвелла.

Рассмотрим физическую суть явлений, приводящих к поляризации отраженного и преломленного лучей. Рассмотрим для простоты границу диэлектрика с вакуумом. Падающая из вакуума световая волна заставляет входящие в состав атомов диэлектрика электрические заряды совершать вынужденные колебания. Колеблющиеся заряды излучают электромагнитные волны, которые назовем вторичными. Вне диэлектрика вторичные волны, налагаясь друг на друга, дают отраженную волну.

Внутри диэлектрика вторичные волны складываются с падающей первичной волной и дают преломленную волну. Вынужденные колебания зарядов совершаются в направлении вектора этой результирующей волны.

Д опустим, что падающий луч является естественным. Тогда в плоскости сечения луча (рисунок 29.11, а)) направления колебаний светового вектора (для наблюдателя, глядящего по стрелке) будут выглядеть примерно так, как показано на рисунке 29.11, б). Каждое из колебаний можно разложить на колебание перпендикулярное плоскости падения (синяя стрелка) и происходящее в плоскости падения (красная стрелка). Заряды в молекулах диэлектрика будут совершать колебания в направлении соответствующих векторов результирующей волны в диэлектрике и излучать вторичные волны. Напомним, что излучение колеблющегося заряда характеризуется диаграммой направленности. Если направление колебаний зарядов (красная стрелка) совпадет с направлением отраженной волны, то заряды не будут излучать волны в этом направлении. Поскольку вектор в излучении заряда лежит в той же плоскости, в которой колеблется заряд, это означает, что при таком совпадении в отраженной волне не будет колебаний, происходящих в плоскости падения. В то же время интенсивность волны с колебаниями , перпендикулярными плоскости падения в отраженной волне будет максимальной. Отраженный луч будет плоско поляризованным. При несовпадении угла падения с углом Брюстера, в отраженном свете интенсивность волн с вектором , перпендикулярным плоскости падения, будет преобладать. В естественном луче интенсивность колебаний различных направлений одинакова. Энергия этих колебаний распределяется между отраженной и преломленной волнами. В силу закона сохранения энергии, если в отраженном луче преобладают колебания некоторого направления, в преломленном луче должна быть больше интенсивность колебаний другого направления. Поэтому и отраженный и преломленный лучи будут частично поляризованными.

По этой же причине происходит поляризация при рассеянии света на частицах значительно меньше длинны световой волны. Рассеиваемый пучок вызывает в частицах колебания зарядов, направления которых лежат в плоскости, перпендикулярной к пучку. Колебания во вторичной волне происходят в плоскости, проходящей через направления колебаний зарядов. Поэтому свет, рассеянный в направлениях, перпендикулярных к пучку, будет полностью поляризован.