Как записывается поле с различными видами поляризации

2. Круговая поляризация. Амплитуды составляющих Ех и Еу равны, а фазы отличаются на

. (8.7)

Подставляя эти значения в (8.4), получаем равенство

. (8.8)

Из (8.8) следует, что

, если , (8.9)

, если . (8.10)

Равенства (8.9), (8.10) означают, что угол в фиксированной точке пространства изменяется линейно во времени и происходит периодическое изменение ориентации вектора . Величина вектора при этом остается неизменной

.

Таким образом, в фиксированной точке пространства вектор , оставаясь неизменным по величине, вращается с угловой частотой вокруг направления . Число оборотов вектора за секунду равно частоте колебаний. В рассматриваемую точку в разные моменты времени приходит вектор разной ориентации. Конец вектора при этом описывает окружность (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Годограф вектора при круговой поляризации

Волна (8.1) при условии (8.7) имеет круговую поляризацию. В зависимости от направления вращения вектора различают волны с правой и левой поляризацией. Волна имеет правую круговую поляризацию, когда вектор вращается по часовой стрелке, если смотреть вдоль направления распространения волны (>0). Волна имеет левую круговую поляризацию, когда вектор вращается против часовой стрелки, если смотреть вдоль направления распространения волны ( <0). Согласно условиям (8.9), (8.10) вектор вращается в сторону к отстающей по фазе составляющей.

На рис. 8.4 показана ориентация вектора в пространстве в фиксированный момент времени для плоской волны с круговой поляризацией, распространяющейся вдоль оси z в среде без потерь.

Линия, соединяющая концы векторов, представляет собой правовинтовую спираль с шагом, равным длине волны. Ее проекция на плоскость образует окружность с вращением вектора против часовой стрелки, глядя вдоль направления распространения волны. Отметим, что винтовая линия, соответствующая волне с правой круговой поляризацией, имеет левую намотку, и, наоборот, в случае волны с левой круговой поляризацией винтовая линия имеет правую намотку.

Рис. 8.4. Ориентация вектора в пространстве при круговой поляризации

Очевидно, такой же анализ для вектора привел бы к аналогичным результатам. Запишем для примера поле плоской однородной волны левой круговой поляризации, распространяющейся вдоль оси z в среде без потерь. В записи электрического поля используем условие круговой поляризации (8.7), а взаимосвязанное с ним магнитное поле определяем по формуле (6.32). Комплексные амплитуды векторов и рассматриваемой волны принимают вид

, (8.11)

. (8.12)

При записи этой волны использовано известное соотношение . На основании последних выражений (8.11), (8.12) находим среднее за период значение плотности потока мощности

. (8.13)

Среднее значение вектора Пойнтинга волны круговой поляризации равно сумме средних плотностей мощности двух волн с ортогональными линейными поляризациями.

Любая волна круговой поляризации является суперпозицией двух волн с ортогональными линейными поляризациями при условии (8.7). В свою очередь, всякую линейно поляризованную волну можно представить в виде суммы двух волн с правой и левой круговой поляризацией. Вновь воспользуемся комплексным представлением вектора волны линейной поляризации

. (8.14)

Прибавим и вычтем в правой части (8.14) дополнительный вектор и перегруппируем слагаемые

(8.15)

Первое слагаемое в правой части (8.15) описывает волну с левой круговой поляризацией, а второе слагаемое описывает волну с правой круговой поляризацией с равными амплитудами.

3. Эллиптическая поляризация. Составляющие E_х и Е_у (8.1) имеют произвольные соотношения амплитуд и фаз. Суммарный вектор в фиксированной точке пространства с течением времени изменяется по величине и вращается вокруг направления , его конец описывает эллипс (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Годографы векторов и при эллиптической поляризации

Волны такого типа принято называть эллиптически поляризованными. Вращение вектора происходит в сторону составляющей, отстающей по фазе. Если это вращение происходит по часовой стрелке, глядя вдоль направления распространения волны, то волна имеет правую эллиптическую поляризацию, если вращение против часовой стрелки – волна левой эллиптической поляризации. Степень эллиптичности волны оценивают по коэффициенту эллиптичности, равному отношению малой оси эллипса к большой. Ориентация эллипса задается углом между большой осью эллипса и осью х (или осью у). Такой же анализ для вектора привел бы к аналогичным результатам. Конец вектора в фиксированной точке пространства в течение периода колебаний также описывает эллипс, подобный эллипсу вектора , но повернутый относительно него на угол (рис. 8.5).

Введем понятие ортогонально поляризованных волн. Две волны ортогонально поляризованы, если их поляризационные эллипсы взаимно перпендикулярны в пространстве, равны коэффициенты эллиптичности, а вращение вектора в эллипсах противоположное. Волну одного вида поляризации можно представить как сумму двух волн с ортогональными поляризациями и разными амплитудами. Так эллиптически поляризованную волну можно представить как сумму двух волн с ортогональными линейными поляризациями, как сумму двух волн круговой поляризации с разными амплитудами и разным направлением вращения, либо как сумму двух волн эллиптической поляризации с ортогональными осями эллипсов, с разными амплитудами и разным направлением вращения. Приемная антенна извлекает из падающей на нее электромагнитной волны максимальную мощность, если поляризованные эллипсы передающей и приемной антенны совпадают. Прием будет отсутствовать, если антенны имеют ортогональные поляризации. В промежуточных случаях происходит уменьшение принятой мощности.

Отметим, что понятие эллиптической, круговой и линейной поляризации применимо не только для плоских однородных волн, но и других типов волн. Поляризационные свойства электромагнитных волн имеют большое значение в прикладной радиотехнике. Например, штыревая антенна, размещенная в поле волны с круговой поляризацией перпендикулярно оси распространения, будет создавать выходной сигнал неизменной амплитуды независимо от ориентации в поперечной плоскости. Это обстоятельство делает волны с круговой поляризацией предпочтительными для организации радиосвязи с подвижными объектами, которые могут занимать в пространстве любые положения.

Поляризация электромагнитных волн

При рассмотрении плоской волны в однородной изотропной среде было показано, что она является поперечной, т.е. векторы иперпендикулярны направлению распространения (оси). В целях упрощения полагалось, что векторориентирован вдоль оси, и было установлено, что в этом случае векторориентирован по оси(рисунок Рисунок 50 ).

1. −Простейший случай линейно поляризованной волны

, . Однако следует иметь в виду, что ориентация векторов иотносительно координатных осей зависит от источника, создающего волну. В общем случае направления векторов могут отличаться от направления координатных осей, а значит, каждый из векторов поля может иметь составляющие по обеим координатным осям, причем начальные фазы составляющих могут отличаться. Это приводит к тому, что положение векторав пространстве будет отличаться от простейшего случая, когда этот вектор всегда колеблется в плоскости. Поляризация электромагнитной волы − ориентация в пространстве вектора напряженности электрического поля . Различают три вида поляризации: линейную, круговую и эллиптическую. Как будет показано, все эти три вида являются частными случаями общего эллиптического представления.

1. Линейная поляризация

Простейшим случаем является линейная поляризация. Если рассмотреть выражение для вектора : , то окажется, что половину периода направление вектора совпадает с положительным направлением оси, а вторую половину − противоположно ему (рисунок Рисунок 51 ). Таким образом, в фиксированной точке пространстваконец векторас течением времени перемещается вдоль отрезка прямой линии, а величина вектора изменяется в интервале. Волны, имеющие такой характер ориентации вектора, называются линейно поляризованными. Плоскость, проходящую через направление распространение волны и вектор, называют плоскостью поляризации. В рассматриваемом примере плоскостью поляризации является плоскость.

1. −Электромагнитная волна с линейной поляризацией

Линейная поляризация исключительно часто применяется в антенной технике. Так, все местное (не спутниковое) теле- и радиовещание производится на радиоволнах линейной поляризации. Положение плоскости поляризации полностью определяется ориентацией приемных и передающих антенн. Так как плоскостью линейной поляризации может быть как плоскость параллельная земной поверхности, так и перпендикулярная ей, то обычно их называют соответственно горизонтальной и вертикальной плоскостью поляризации. Так, телевещание обычно производится в горизонтальной плоскости поляризации, а радиовещание − в вертикальной, хотя бывают и исключения.

1. Суперпозиция двух линейно поляризованных волн

Предположим теперь, что волна создается более сложной излучающей структурой и вектор имеет две составляющиеи, которые изменяются либо синфазно, либо с некоторым фазовым сдвигом. Векторв этом случае тоже имеет две составляющиеи, связанные с компонентами. Тогда в общем случае выражение для вектораплоской волны в среде без потерь записывается в виде , где и− амплитуды составляющихисоответственно, аи− фазы этих составляющих в точкепри. Волну такого типа можно рассматривать как суперпозицию двух плоских линейно поляризованных волн со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризациии, распространяющихся в одном направлении вдоль оси. Характер изменения векторас течением времени в фиксированной точке пространства зависит от соотношения между начальными фазами,и от амплитуд,. Рассмотрим, что произойдет при отдельных частных случаях такой волны. Для этого рассмотрим угол между осью и векторомв некоторой фиксированной точке пространства. Очевидно, что величина этого угла зависит от соотношения между мгновенными значениями компонент вектора(рисунок Рисунок 52 ): , то есть, зависит от соотношения величин,и,и в общем случае меняется со временем. Для получения случая линейной поляризации необходимо, чтобы составляющие векторабыли синфазными или противофазными. Положим сначала, тогда . В этом случае вектор в любой момент времени лежит в плоскости, проходящей через осьи составляющей уголс плоскостью.

1. −Линейно поляризованная волна

Аналогичное явление имеет место также в том случае, когда разность между начальными фазами равна целому числу : , где Очевидно, что при илилинейно поляризованная волна превращается в волну с чисто горизонтальной или чисто вертикальной поляризацией.

1. − Горизонтальная и вертикальная поляризация

Рассмотрим второй частный случай. Пусть амплитуды составляющих иравны, а начальные фазы отличаются на: , Тогда , Подставляя эти значения в выражение для угла , получим: , откуда следует, что , где − целое число. Это равенство означает, что уголв фиксированной точке пространстваувеличивается с течением времени. Величина векторапри этом остается неизменной: . Таким образом, в фиксированной точке пространства вектор , оставаясь неизменным по величине, вращается с угловой частотойвокруг направления оси. Конец вектора при этом описывает окружность (рисунок Рисунок 54 ). Волны такого типа называются волнами с круговой поляризацией.

1. −Круговая поляризация плоской волны

Нетрудно убедиться также, что волна будет иметь круговую поляризацию не только в случае , но и , где . Вдоль направления распространения (вдоль оси ) в фиксированный момент временив среде без потерь конец вектораописывает винтовую линию с шагом, равным длине волны. Проекция этой линии на плоскостьобразует окружность. С течением времени эта винтовая линия перемещается вдоль осипо цилиндру с фазовой скоростью. В зависимости от направления вращения вектора вокруг оси распространения различают волны с левой и правой круговой поляризацией. В случае правой поляризации вектор вращается по часовой стрелке, если смотреть вдоль направления распространения, а в случае левой круговой поляризации − против стрелки. В рассмотренном примере приволна имеет правую поляризацию. Очевидно, что такая же поляризация будет в случае ,. В случае , волна имеет левую круговую поляризацию. Вектор однородной волны везде и в любой момент времени перпендикулярен векторуи пропорционален ему по величине. Таким образом, в отличие от линейной поляризации, поле бегущей волны с круговой поляризацией в любой момент времени ни в одной точке пространства не равно нулю. В случае среды с потерями линия, соединяющая концы векторов в один м тот же момент времени в разных точках оси , представляет собой спираль с радиусом, который изменяется вдоль оси по закону. В самом общем случае распространения волны, когда конец векторабудет описывать при фиксированном и переменномв пространстве некий эллипс (рисунок Рисунок 55 ). Полуоси эллипса в общем случае не совпадают с осями координат.

1. −Эллиптически поляризованная волна

Для определения эллиптичности поля используется коэффициент эллиптичности, характеризующий отношение малой полуоси эллипса к большой: . При эллипс вырождается в окружность, этот случай соответствует электромагнитной волне с круговой поляризацией. Если, то эллипс вырождается в прямую линию − это линейно поляризованная волна. При рассмотрении эллиптической и круговой поляризаций нами рассматривалась суперпозиция двух линейно поляризованных волн. Как мы увидели, поле с любым типом поляризации можно представить суммой двух волн, поляризованных линейно в двух ортогональных плоскостях. Можно доказать и обратное: эллиптически или линейно поляризованную волну можно представить в виде суммы двух волн с круговой поляризацией и противоположными направлениями вращения.

В.К. Иванов. Волновая оптика / КОНСПЕКТ (по экзаменационным вопросам) / 21-27_Поляризация света

3.3.4.4. Поляризация света Поляризация – свойство света, обусловленное поперечностью электромагнитных волн. Поляризация характеризует структуру колебаний напряженности электрического поля в плоскости, r перпендикулярной направлению распространения волны. Конец вектора E в этой плоскости может описывать различные фигуры (линию, эллипс, круг). Если с течением времени эти фигуры не изменяются, свет полностью поляризован (линейно, эллиптически, циркулярно). Если состояния поляризации (фигуры) с течением времени изменяются случайным образом, свет не поляризован. Электрическое и магнитное поле электромагнитной волны связаны между собой. Из уравнений Максвелла для монохроматических волн вытекает, что при распространении света в вакууме или в изотропной среде векторы E , H и волновой вектор k взаимно ортогональны и образуют правую тройку векторов, а амплитуды векторов E r и H пропорциональны друг другу. Это позволяет ограничиться только r рассмотрением ориентации вектора напряженности электрического поля E . Именно по этому вектору обычно определяют поляризацию света. 3.3.4.4.1. Полностью поляризованный и естественный и свет Полностью поляризованный свет Выясним, как ориентирован электрический вектор в процессе распространения волны. В общем случае вектор E электромагнитной волны, распространяющейся вдоль оси z, в плоскости, перпендикулярной направлению распространения может быть представлен в виде суперпозиции двух линейных ортогональных компонент Е х и Е y (т.е. проекций вектора E r на оси х и у ):

E x	( z , t ) = E x 0 cos( ω t − kz + δ x ),		(3.167)
E y ( z , t ) = E y 0 cos( ω t − kz + δ		у ),

Т. к. волна поперечная, E z ( z , t ) = 0. Здесь Е x0 , Е y0 — амплитуды составляющих напряженности электрического поля вдоль осей х и y соответственно, ω – циклическая частота, ω = 2π/Т , где Т – период колебаний, k – волновое число k = 2π/ λ, где λ – длина волны. Исключим в (3.167) фазу волны. Запишем Е х и Е y в следующем виде: E x = a cos ϕ , E y = b cos( ϕ + δ ), δ = δ y − δ x и проведем несколько преобразований: 1

E x a E y b

= cos ϕ ,

E y

= cos( ϕ + δ ) = cos ϕ cos δ − sin ϕ sin δ ,

b

E

E

2

E y

E

x

2

E

x

2

2

=

x cos δ

−

1 −

x

sin δ ,

−

cos δ =

−

1 −

sin δ ,

,

a

a

a

b

a

E y 2

E y E

E

2

2

E

x

2

2

− 2

x cos δ +

x

cos δ

= 1

−

sin δ

b

b a

a

a

E y

2

E y

E

x

E

x

2

2

− 2

cos δ +

= sin δ

(3.168)

b

a

b

a

Из выражения (3.168)

следует, что в общем случае конец вектора E r в плоскости

( ху ) описывает эллипс. Электромагнитная волна будет полностью

поляризованной, если разность фаз ( х,у )-

компонент

вектора E

будет

постоянной: δ = const.

Рассмотрим частные случаи.

1. Если

δ = 0,

т.е.

между

E x

и

E y

нет

сдвига

фаз:

E y

−

E

x

2

= 0,

E y

−

E

x = 0, E y =

b

E x , то

поляризация

линейная,

угол

b

b

a

a

a

наклона вектора E r с осью х (азимут)

ψ определяется условием: tg ψ = b .

a

Колебания вектора E r (изменяется только его амплитуда) происходят в

фиксированной

плоскости,

называемой

плоскостью

поляризации. Если

δ = π , то ψ = ψ + π .

2.

Если

δ = π

и амплитуды

проекций

равны:

а = b ,

E y

2 = E 2 x = a 2 , то

2

круговая (или циркулярная) – конец вектора E r вращается,

поляризация

его длина не изменяется.

3.

Если 0 < δ

π

— эллиптическая поляризация – конец вектора E r вращается и

2

2

его амплитуда

изменяется;

при δ =

π

E y

E

2

,

+

x = 1 оси эллипса

2

b

a

ориентированы вдоль осей х и у.

В случае эллиптической и круговой поляризации вектор E r в плоскости z=const

вращается.

Поляризация считается правой,

если

вращение осуществляется по

часовой стрелке при наблюдении навстречу волне, и левой, если против часовой

стрелки. Для круговой поляризации при δ =+	π	— правая, при δ = −	π	— левая.
2	2
2

При этом векторы напряженности электрического поля волн, поляризованных по
правому E r + и по левому				E r	− кругу, запишутся в виде:
E r + = E + x r	+ E + y r		; E + = a cos ϕ , E + = a cos( ϕ + π ) = − a sin ϕ ,
x 0	y	0	x	y	2	,	(3.169)
E r − = E − x r
	+ E − y r	; E − = a cos ϕ , E − = a cos( ϕ − π ) = a sin ϕ
						0
x 0	y	x	y	2

а их сумма дает волну с линейной поляризацией, ориентированной вдоль оси х :
E r + + E r	− = 2 a cos ϕ x r .	(3.170)
0

На рис. Рис. 3.69 показаны различные состояния поляризации плоской электромагнитной волны Рис. 3.69. Колебания вектора E в полностью поляризованном свете, характеризующие состояния поляризации электромагнитной волны Рисунок 3.70 (вверху) иллюстрирует положение вектора E r (показано стрелками) при распространении вдоль оси z волны с правой круговой поляризацией (левый винт) и (внизу) сложение колебаний х и у – компонент вектора E r в трехмерных проекциях для волны с линейной (а) , круговой (б) и эллиптической (в) поляризацией. За период колебаний Т r волна проходит вдоль оси z расстояние, равное длине волны λ, при этом вектор E в случае круговой или эллиптической поляризации поворачивается на угол 2π. 3

Таким образом, электромагнитную волну с произвольной (в общем случае эллиптической) поляризацией всегда можно представить в виде суммы двух когерентных ортогонально поляризованных волн. Это могут быть, к примеру, две линейно поляризованные волны с ортогональными направлениями векторов E или две поляризованные по кругу волны с правым и левым направлением вращения электрического вектора. На границе анизотропной среды (см. ниже) происходит обратная процедура: волна с произвольной поляризацией распадается на две волны. (а) (б) (в) Рис. 3.70. Распространение вдоль оси z волны с правой круговой поляризацией (левый винт) вверху и сложение колебаний напряженности электрического поля в трехмерных проекциях для волны с линейной (а) , круговой (б) и эллиптической поляризацией (в) внизу Естественный свет Несмотря на то, что электромагнитные волны и от обычных (нелазерных) источников поперечны (свечение раскаленных твердых тел, свечение возбужденных атомов газа), колебания вектора E , как правило, носят случайный характер, т.е. фигуры (линия, эллипс, круг), которые описывает конец вектора E в 4

плоскости, перпендикулярной направлению распространения, с течением времени меняются случайным образом. Такой свет называется неполяризованным, или естественным . Причина отсутствия поляризации связана с конечностью времени излучения атома, которое порядка 10 -8 c. В течение этого времени атом излучает полностью поляризованный свет, но в последующие моменты времени этот атом может излучить свет с другими состояниями поляризации. К тому же, излучающих атомов в источнике света много, и их излучение не согласовано. Таким образом, результирующая волна слагается из множества цугов волн, испускаемых отдельными атомами, и поляризация каждого цуга носит случайный характер. Естественный свет принято изображать в виде r набора линейно поляризованных волн, в котором колебания вектора E для различных направлений представлены с равной вероятностью (см. рис. рис. 3.71). Естественный свет также можно представить как наложение (сумму) двух некогерентных ортогональных линейно поляризованных волн, как показано на рис. 3.71 справа. Для естественного света величина δ зависит от времени: δ =δ(t) , изменяясь случайным образом. Рис. 3.71. Схематическое представление естественного света Возможна ситуация, когда в источнике существует некоторая корреляция между r излучателями. Тогда, r несмотря на хаотичность движения вектора E , вероятности разных ориентаций E неодинаковы (рис. 3.72). Это частично поляризованный свет. Частично-поляризованный свет, как и естественный, можно представить в виде наложения двух некогерентных ортогональных линейно поляризованных волн, но с разными интенсивностями (рис. 3.72.). Его также можно рассматривать как смесь (сумму) естественной (ест) и полностью поляризованной (пол) составляющих, как показано на этом рисунке справа. Рис. 3.72. Схематическое представление частично поляризованного света 5

Наконец, если все атомы испускают свет с одинаковой поляризацией, излучение источника в целом будет полностью поляризованным (рис. 1) . Такая ситуация типична для лазеров, в которых атомы взаимодействуют друг с другом через поле излучения, или для света, пропущенного через специальные устройства — поляризаторы. Линейно, циркулярно или эллиптически поляризованный свет является различными реализациями полностью поляризованного излучения, а частично поляризованный свет может быть представлен как смесь естественной и полностью поляризованной компонент. Рис. 5. Колебания вектора E r в естественном (а), частично поляризованном (б) и полностью поляризованном (в, г ) свете Получение линейно поляризованного света. Закон Малюса. Степень поляризации Для изменения и анализа поляризации света применяются различные устройства: поляризаторы, анализаторы, компенсаторы, фазовые пластинки и т. п. Поляризаторы с технической стороны могут быть самых разных типов: кристаллические, пленочные, отражательные и т. д. Независимо от конкретной реализации, поляризатор (общее определение) – это устройство, которое позволяет получить поляризованный свет из естественного. Линейный поляризатор — это устройство, которое пропускает колебания вектора E с определенной ориентацией — параллельные плоскости поляризатора — и полностью задерживает колебания, перпендикулярные к этой плоскости . Таким образом, прошедший через поляризатор свет линейно поляризован. Если в оптической схеме имеется два последовательно стоящих поляризующих элемента, то первый обычно называется поляризатором, а второй — анализатором . Существуют четыре явления, обусловливающие получение линейно поляризованного света: дихроизм, двойное лучепреломление, отражение и рассеяние, причем дихроизм играет наиболее существенную роль. Действие поляризатора в этом случае состоит в том, что он разделяет первоначальный пучок на две компоненты с ортогональными линейными состояниями поляризации, пропускает одну компоненту и поглощает или отклоняет другую (см. раздел «Оптическая анизотропия среды»). 6

Рис.6. Прохождение линейно поляризованного света через поляризатор Если падающий на поляризатор или анализатор свет уже линейно поляризован, то дальше пройдет только проекция электрического вектора на направление пропускания поляризатора: E = E 0 cos ϕ , где φ — угол между плоскостью поляризации падающей волны и направлением пропускания поляризатора. Для интенсивности прошедшей волны получим

I = I 0 cos 2 ϕ .

(6)

Соотношение (6) называется законом Малюса : Интенсивность линейно поляризованного света, прошедшего через поляризатор, пропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостью поляризатора и плоскостью колебаний вектора напряженности электрического поля падающей волны. Если падающий свет не поляризован, то в нем присутствуют компоненты с любыми ориентациями вектора E (то есть с любыми значениями φ). Усреднив (6) по углам от 0 до 2 π , получим: I= 0,5 I 0 . Значит, при любой ориентации поляризатора через него проходит половина интенсивности естественного света. Если поставить на пути этого луча еще один поляризатор, то интенсивность прошедшего света определится как

1	2	(7)
I =	2 I 0 cos ϕ
Максимальная интенсивность, равная		I = 0.5 I 0 получается,	если плоскости

обоих поляризаторов параллельны, минимальная интенсивность, I= 0 получается при φ=π/ 2 , т.е. при скрещенных поляризаторах. Поскольку типы поляризации световых волн отличаются большим разнообразием, целесообразно ввести количественную характеристику — степень поляризации . Для определения степени поляризации используется величина, основанная на анализе изменения интенсивности света, прошедшего через поляризатор при повороте вокруг направления светового пучка. В ходе поворота определяют максимальное и минимальное значения интенсивностей, 7

которые соответствуют двум взаимно ортогональным ориентациям поляризатора. Затем вычисляют величину Р по формуле:

P =	I max − I min	(8а)
	I max + I min

Определенный таким образом параметр Р лежит в пределах 0< Р< 1. Значение Р = 1 соответствует линейно поляризованному свету (при определенном положении поляризатора свет полностью гасится), а значение Р = 0 — естественному или циркулярно поляризованному свету (интенсивность прошедшего света не зависит от положения поляризатора). Величина Р представляет, по сути, степень линейной поляризации, ее удобно использовать, например, при анализе света, отраженного от границы оптических сред. Анизотропия среды Некоторые кристаллы обладают необычными оптическими свойствами. Например, кристалл исландского шпата (кальцит) преломляет свет по-разному в зависимости от того, с какой стороны падает свет на кристалл. В этом кристалле есть одно направление , вдоль которого при нормальном падении луч света проходит прямолинейно (Рис.7 а). Его называют оптической осью . В других направлениях луч, проходя через кристалл, раздваивается и образуется два пучка примерно одинаковой интенсивности (Рис.7б). Луч, который проходит прямо называют обыкновенным лучом (о), а другой - необыкновенным (е). При повороте кристалла относительно оси падающего пучка пятно, соответствующее обыкновенному лучу, на экране остается неподвижным, а второе, соответствующее необыкновенному, поворачивается вокруг первого синхронно с поворотом кристалла (Рис.7 б). Анализ поляризации лучей с помощью поляризатора показывает, что оба луча, вышедших из кристалла, линейно поляризованы , причем направления поляризации в них взаимно ортогональны (Рис.7 в). Явление раздвоения светового луча назвали двойным лучепреломлением, а зависимость оптических свойств кристалла (показателя преломления и коэффициента поглощения) от направления колебания электрического вектора и от направления распространения света - оптической анизотропией ). 8

Рис. 7. Прохождение света вдоль оси исландского шпата (а); двойное лучепреломление света, падающего нормально к естественной грани кристалла исландского шпата (б), а также картины, наблюдаемые на экране при вращении кристалла исландского шпата (в, г), поляризация волн (д) Рис. 8. Поляризация обыкновенной и необыкновенной волн в двулучепреломляющем кристалле. Анизотропными называются среды, оптические характеристики которых (показатель преломления и коэффициент поглощения) зависят от направления (точнее, от направления колебаний электрического вектора и направления распространения света). Анизотропия среды может быть обусловлена как несимметричностью (анизотропией) составляющих ее частиц, так и характером их расположения (т.е. строением кристаллической решетки). Анизотропия среды характеризуется различным по разным направлениям смещением электрических зарядов под действием поля E электромагнитной волны. В анизотропных средах величина смещения заряда в поле данной напряженности электрического поля зависит от направления вектора напряженности. Это приводит к тому, что поляризуемость среды, ее диэлектрическая проницаемость, а, значит, и показатель преломления, различны для разных направлений электрического вектора световой волны. Таким образом, в анизотропных кристаллах показатель преломления среды и, соответственно, скорость света в среде зависят от поляризации световой волны и различны для разных направлений ее распространения . (Различие показателей преломления называется двулучепреломлением, или двойным лучепреломлением ). Поэтому для анизотропной двулучепреломляющей среды волновая поверхность может быть отличной от сферической . Еще одним проявлением анизотропии, помимо двулучепреломления , является дихроизм или анизотропное поглощение . Это явление состоит в том, что в некоторых кристаллах световая волна с определенной ориентацией вектора E r поглощается сильнее, чем волны с другой ориентацией электрического поля. Например, кристалл турмалина толщиной около 1 мм практически полностью поглощает обыкновенную волну и почти не поглощает необыкновенную. Такими же свойствами обладают поляроидные пленки, у которых сильный дихроизм проявляется уже при толщине порядка 0.1 мм. Среды, обладающие дихроизмом, используются для изготовления поляризаторов. 9

Механизм анизотропного поглощения можно пояснить следующим образом. Анизотропия структуры турмалина приводит к тому, что электроны имеют возможность двигаться преимущественно в одном направлении относительно кристалла . Если поляризация падающей световой волны совпадает с этим направлением, то световое поле вызывает сильную раскачку электронов и передает им свою энергию, а те, в свою очередь, передают энергию кристаллической решетке. В результате световая волна поглощается. Если же поляризация падающей волны перпендикулярна направлению возможного движения электронов в кристалле, то колебания электронов практически не возбуждаются, либо электроны колеблются с небольшой амплитудой, отдавая свою энергию вторичному излучению, а не решетке кристалла. В этом случае электромагнитная волна испытывает лишь незначительное поглощение. Именно поэтому при облучении неполяризованным (естественным) светом на выходе из кристалла турмалина образуется линейно поляризованный свет: турмалин пропускает свет лишь той поляризации, которая ортогональна направлению возможного движения электронов в кристалле, и является, таким образом, поляризатором. Анизотропные свойства наблюдаются у кристаллов , но отсутствуют у газов, жидкостей (кроме жидких кристаллов), пластмасс, стекол. Таким образом, в природе наблюдается фазовая анизотропия (анизотропия показателя преломления, или двулучепреломление) и амплитудная анизотропия (анизотропия поглощения, или дихроизм). Д вулучепреломление — различные показатели преломления для двух ортогональных поляризаций. Дихроизм — различное поглощение света для двух ортогональных поляризаций. Отметим, что явления двулучепреломления и дихроизма известны как для линейно, так и для циркулярно поляризованного света. Двулучепреломление для света с круговой поляризацией называется оптической активностью . В некоторых случаях оптическая анизотропия может возникнуть и в изотропной среде (искусственная или наведенная анизотропия) в результате какого-либо воздействия на нее, например, механического напряжения, внешнего электрического или магнитного поля, и др. В частности, двойное лучепреломление может возникать под действием постоянного электрического поля (эффект Керра) или продольного магнитного поля (эффект Фарадея). Аналогичные явления наблюдается в переменном электрическом поле, а также в поле мощного лазерного импульса. Общим свойством всех анизотропных сред (с естественной и искусственной анизотропией) является наличие двух разрешенных (собственных) состояний поляризации световой волны (это могут быть две линейные ортогонально поляризованные волны, или две ортогональные циркулярно поляризованные волны). Собственные состояния поляризации при 10

Понятное объяснение: что такое типы поляризации и как они работают

Статья Поляризация света: от физических явлений до технических приложений раскрывает основные концепции поляризации света, объясняет различные типы поляризации и их применение как в естественных, так и в технических сферах.

Понятное объяснение: что такое типы поляризации и как они работают обновлено: 12 октября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Введение

В материаловедении одной из важных тем является поляризация света. Поляризация света – это явление, при котором световые волны распространяются в определенной плоскости или с определенной ориентацией колебаний. В данной лекции мы рассмотрим различные типы поляризации света, такие как линейная, круговая и эллиптическая поляризация. Также мы изучим, как поляризация света проявляется в природе и как она применяется в технике. Давайте начнем с определения и свойств линейной поляризации.

Нужна помощь в написании работы?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Поляризация света

Поляризация света – это явление, при котором вектор электрического поля световой волны колеблется только в определенной плоскости. В отличие от неполяризованного света, в котором вектор электрического поля колеблется во всех направлениях, поляризованный свет имеет определенную ориентацию колебаний.

Поляризация света может происходить естественным образом, когда свет проходит через определенные материалы или отражается от поверхностей, а также может быть искусственно создана с помощью специальных оптических устройств.

Поляризация света имеет важное значение во многих областях, включая оптику, фотонику, электронику и коммуникации. Она используется для создания поляризационных фильтров, оптических приборов, а также в процессе передачи и обработки оптической информации.

Линейная поляризация

Линейная поляризация – это один из видов поляризации света, при котором направление колебаний электрического поля световой волны происходит только в одной плоскости. В этом случае, световая волна распространяется в виде плоской волны.

Линейная поляризация может быть достигнута путем фильтрации света с помощью поляризационного фильтра или отражения света от поверхности под определенным углом, называемым углом Брюстера.

Свет, поляризованный линейно, может иметь различные направления колебаний электрического поля. Например, свет может быть вертикально поляризованным, когда направление колебаний электрического поля происходит в вертикальной плоскости, или горизонтально поляризованным, когда направление колебаний происходит в горизонтальной плоскости.

Линейная поляризация имеет множество применений. Она используется в поляризационных солнцезащитных очках для блокировки нежелательных отражений и снижения блеска. Также, линейная поляризация применяется в оптических приборах, таких как поляризационные микроскопы и поляризационные фильтры для фотографии и видеосъемки.

Круговая поляризация

Круговая поляризация – это тип поляризации света, при котором направление колебаний электрического поля в точке пространства изменяется по окружности. В отличие от линейной поляризации, где направление колебаний происходит в одной плоскости, в круговой поляризации оно вращается вокруг оси распространения света.

Круговая поляризация может быть правой или левой, в зависимости от направления вращения колебаний электрического поля. Правая круговая поляризация означает, что направление колебаний вращается по часовой стрелке, а левая круговая поляризация – против часовой стрелки.

Круговая поляризация может быть создана с помощью определенных оптических элементов, таких как вращающиеся поляризаторы или специальные оптические фильтры. Она также может быть образована при взаимодействии света с определенными материалами или структурами.

Круговая поляризация имеет свои применения в различных областях. Например, она используется в оптических коммуникациях, в медицинской диагностике и в исследованиях материалов и структур. Также, круговая поляризация может быть использована для создания эффектов визуального искусства и в развлекательной индустрии.

Эллиптическая поляризация

Эллиптическая поляризация – это тип поляризации света, при котором вектор электрического поля описывает эллипс в плоскости перпендикулярной направлению распространения света. В отличие от линейной и круговой поляризации, эллиптическая поляризация представляет собой комбинацию двух взаимно перпендикулярных колебаний с разными амплитудами и фазами.

Эллиптическая поляризация может быть правой или левой, в зависимости от направления вращения эллипса. Правая эллиптическая поляризация означает, что вектор электрического поля вращается по часовой стрелке, а левая эллиптическая поляризация – против часовой стрелки.

Эллиптическая поляризация может быть описана с помощью эллиптического поляризационного эллипса, который представляет собой графическое представление вектора электрического поля в плоскости перпендикулярной направлению распространения света. Величина и форма эллипса определяются амплитудами и фазами двух колебаний, составляющих эллиптическую поляризацию.

Эллиптическая поляризация имеет свои применения в различных областях. Например, она используется в оптической микроскопии для анализа структуры и свойств материалов, в оптической спектроскопии для изучения взаимодействия света с веществом, а также в оптической коммуникации для передачи и обработки информации.

Поляризация света в природе

Поляризация света в природе является результатом взаимодействия света с различными объектами и средами. В природе можно наблюдать различные явления, связанные с поляризацией света.

Рассеяние света

Одним из наиболее распространенных явлений поляризации света в природе является рассеяние света. При рассеянии света на атомах и молекулах воздуха или других средах происходит изменение направления колебаний электрического поля света. В результате рассеяния свет может стать поляризованным, причем направление поляризации зависит от угла рассеяния и свойств среды.

Отражение света

При отражении света от поверхности, например, от водной глади, зеркала или стекла, происходит частичная или полная поляризация света. Поляризация света при отражении происходит в результате того, что электрическое поле света, падающего на поверхность, возбуждает колебания электронов в атомах или молекулах поверхности. В результате этих колебаний свет может стать поляризованным, причем направление поляризации зависит от угла падения и свойств поверхности.

Двойное лучепреломление

Двойное лучепреломление – это явление, при котором свет при прохождении через некоторые кристаллы расщепляется на два луча с разными скоростями и направлениями распространения. Каждый из этих лучей может быть поляризованным, причем направление поляризации зависит от свойств кристалла и направления распространения света.

Все эти явления поляризации света в природе имеют свои особенности и применения. Они позволяют нам наблюдать и изучать свет и его взаимодействие с различными объектами и средами в природе.

Поляризация света в технике

Поляризация света имеет широкое применение в различных областях техники и технологий. Она играет важную роль в таких областях, как оптика, электроника, коммуникации и медицина.

Оптика

В оптике поляризация света используется для создания и управления оптическими устройствами. Например, поляризационные фильтры используются для блокирования или пропускания определенных направлений поляризации света. Они широко применяются в солнцезащитных очках, камерах, микроскопах и других оптических приборах.

Электроника

В электронике поляризация света используется в жидкокристаллических дисплеях (ЖК-дисплеях). ЖК-дисплеи состоят из слоев жидкого кристалла, который может изменять поляризацию света под воздействием электрического поля. Это позволяет создавать яркие и четкие изображения на экране мобильных телефонов, телевизоров, мониторов и других устройств.

Коммуникации

В коммуникациях поляризация света используется для передачи и приема оптических сигналов. Например, в оптических волоконных сетях свет может быть поляризован в определенном направлении для улучшения качества передачи данных. Также поляризация света используется в оптических датчиках и сенсорах для измерения различных параметров, таких как температура, давление и деформация.

Медицина

В медицине поляризация света используется для диагностики и лечения различных заболеваний. Например, поляризационная микроскопия позволяет визуализировать и изучать структуру и свойства биологических тканей и клеток. Также поляризация света используется в лазерной хирургии и косметологии для удаления рубцов, растяжек и других дефектов кожи.

Все эти примеры демонстрируют важность и широкое применение поляризации света в технике. Она позволяет создавать новые технологии и устройства, улучшать качество коммуникации и диагностики, а также повышать эффективность и точность различных процессов и процедур.

Таблица по теме “Поляризация света”

Тип поляризации	Описание	Примеры
Линейная поляризация	Свет распространяется в одной плоскости	Свет, прошедший через поляризационную пленку
Круговая поляризация	Световые волны вращаются вокруг оси распространения	Свет, прошедший через определенные кристаллы
Эллиптическая поляризация	Световые волны движутся по эллипсу	Свет, прошедший через некоторые материалы
Поляризация света в природе	Свет может быть поляризован при отражении, рассеянии или преломлении	Свет, отраженный от водной поверхности или от снега
Поляризация света в технике	Поляризованный свет используется в оптических приборах и коммуникационных системах	Световоды, поляризационные фильтры, поляризационные микроскопы

Заключение

Поляризация света – это явление, при котором световые волны распространяются в определенной плоскости. Она может быть линейной, круговой или эллиптической. Поляризация света встречается как в природе, например, при отражении света от водной поверхности, так и в технике, где она используется для создания оптических фильтров, поляризационных очков и других устройств. Понимание поляризации света является важным для понимания оптических явлений и применений в различных областях науки и техники.

Понятное объяснение: что такое типы поляризации и как они работают обновлено: 12 октября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру