2.3. Поляризация света
Поляризацией — называется преобразование света из естественного в плоскополяризованный. Поляризация присуща только поперечным волнам. Поляризацией — воздействие на световые или электромагнитные колебания, вследствие которого они происходят в определённом направлении, в определённой плоскости. Поляризатор – это оптическое устройство, способное превращать свет из естественного в плоскополяризованный.
2.3.1. Естественный и поляризованный свет
При изучении явлений интерференции и дифракции вопрос о том, являются световые волны продольными или поперечными, имел второстепенное значение. Там мы изучали способы оценки модуля вектора напряженности электрической составляющей электромагнитной волны. Здесь мы обсудим его направление.
Основное свойство электромагнитных волн – поперечность колебаний векторов напряжённости электрического и магнитного полей по отношению к направлению распространения волны (рис. 15).
Рисунок 15 – Изображение поперечности колебаний векторов 
и 
В каждом отдельном случае (для каждого цуга волн) имеется та или иная ориентация векторов 
и 
в пространстве по отношению к распространению (направления луча). Такая асимметрия характерна только для поперечных волн. Продольная волна всегда симметрична относительно направления распространения.
Как правило, излучение естественных источников представляет собой пример электромагнитных волн со всевозможными равновероятностными ориентациями вектора , т.е. с неопределённым состоянием поляризации. Такой свет называют неполяризованным или естественным (рис. 15.1, а).
Рисунок 15.1 – Ориентации вектора
Свет с преимущественным (но не исключительным) направлением колебаний вектора называют частично поляризованным светом (рис. 15.1, б).
В природе существует обширный класс электромагнитных волн, в которых колебания электрического и магнитного полей совершаются в строго определённых направлениях. Такое свойство определяет состояние поляризации электромагнитной волны. Если вектор напряженности электрического поля электромагнитной волны колеблется вдоль некоторого направления в пространстве, говорят о линейной поляризации рассматриваемой электромагнитной волны (рис. 15.1, в). Электромагнитная волна в этом случае называется полностью поляризованной.
Из уравнений Максвелла следует существование полностью поляризованных электромагнитных волн, у которых по мере распространения волны векторы напряжённости электрического и магнитного полей изменяются таким образом, что траектория их движения в плоскости, поперечной направлению распространения волны, представляет собой эллипс или окружность. В этом случае говорят, соответственно, об эллиптической, или круговой, поляризации электромагнитной волны (рис. 15.2, а, б).
Рисунок 15.2 – Виды поляризации света (а – эллиптическая, б – круговая)
Пространственную структуру эллиптически поляризованных волн поясняет (рис. 15.3)
Рисунок 15.3 – Пространственная структура эллиптически поляризованных волн
Винтовая линия, изображенная на этом рисунке, есть геометрическое место концов вектора 
, относящихся к различным значениям z в один и тот же момент времени t. Шаг винта равен длине волны l. С изменением t эта винтовая линия, не деформируясь, перемещается со скоростью света в направлении распространения волны. При этом мы получим поле 
, вращающееся по часовой стрелке (если смотреть навстречу волне).
Как показывает опыт, реальные световые волны во многих случаях можно описывать с помощью рассмотренных выше моделей эллиптически поляризованных волн. При распространении электромагнитной волны в реальных средах возможно превращение неполяризованных волн в полностью поляризованные и наоборот. Примером такого превращения является поляризация электромагнитной волны при отражении.
Другой практически важный способ поляризации электромагнитных волн, в частности световых волн, представляет рассматриваемое в этой теме распространение электромагнитных волн в оптически анизотропных средах. Естественно, что инструментом для исследования асимметрии поперечных волн может служить система, сама являющаяся асимметричной. Газ, жидкость, твердые аморфные тела изотропны. Асимметрией обладают кристаллические тела. Их свойства могут различаться в различных направлениях. Они анизотропны. Отсюда следует, что асимметрию поперечных световых лучей можно изучать, пропуская свет через анизотропные кристаллы.
Устройства, позволяющие получать линейно поляризованный свет, называют поляризаторами. Когда те же самые приборы используют для анализа поляризации света, их называют анализаторами. Через такие устройства проходит только та часть волны, у которой вектор 
колеблется в определенном направлении. Это направление называют главной плоскостью поляризатора (анализатора).
Пусть естественный свет падает на кристалл поляризатора Р (рис. 15.4).
Рисунок 15.4 – Схема работы поляризатора
После прохождения поляризатора, он будет линейно поляризован в направлении. Интенсивность света при этом уменьшится на половину. Это объясняется тем, что при случайных ориентациях вектора все направления равновероятны. Если вращать поляризатор вокруг светового луча, то никаких особых изменений не произойдет. Если же на пути луча поставить еще и второй кристалл – анализатор A, то интенсивность света будет изменяться в зависимости от того, как ориентированы друг относительно друга обе пластины. Интенсивность света будет максимальна, если оси обоих кристаллов параллельны, и равна нулю, если оси перпендикулярны друг другу.
Все это можно объяснить следующим образом:
— световые волны поперечны, однако в естественном свете нет преимущественного направления колебаний;
— кристалл поляризатора пропускает лишь те волны, вектор которых имеет составляющую, параллельную оси кристалла (именно поэтому поляризатор ослабляет свет в два раза);
— кристалл анализатора, в свою очередь, пропускает свет, когда его ось параллельна оси поляризатора.
41. Круговая (циркулярная) и эллиптическая поляризация света
1. Линейная (плоская ) поляризация: — в процессе распространения волны векторЕ колеблется все время в одной и той же пространственной плоскости (см. Рис.1),которую называют плоскостью колебаний вектора Е (иногда также плоскостьюполяризации волны). Проекция вектора Е на плоскость наблюдения в этом случаебудет иметь вид отрезка прямой линии, в связи с чем эту поляризацию и называютлинейной или же плоской. Отметим, что плоскость колебания магнитного вектораволны будет перпендикулярна плоскости колебаний вектора Е.
2. Круговая (циркулярная) поляризация: — при такой поляризации вектор Е
волны за один период волны делает полный оборот вокруг направления
распространения волны, при этом его длина остается постоянной. В плоскостинаблюдения проекция вектора Е описывает круг, что и определяет название такойполяризации. Если вектор вращается по часовой стрелке (волна должна
распространяться к наблюдателю), то поляризация называется правой круговой, аесли против часовой стрелки – то левой круговой поляризацией.
— Круговая правая (п) и левая (л) поляризация.
Длина вектора Е постоянна.
3. Эллиптическая поляризация: — при этой поляризации вектор Е волны за
один период волны тоже делает полный оборот вокруг направления
распространения волны, но длина вектора Е при этом изменяется таким образом,что конец его описывает в плоскости наблюдения эллипс. . Если вектор Е
вращается по часовой стрелке , то поляризация называется правой, а если против –левой эллиптичной.
э ллиптическая правая (п)
л Е и левая (л) поляризация
Это виды полной поляризации света. Любую из них можно перевести в другую спомощью специальных поляризационных приборов.
Однако свет, испускаемый обычными источниками – солнцем, пламенем,
электрической лампочкой и др. – является неполяризованным и называется
4. Естественный свет можно рассматривать как совокупность линейно-
поляризованных волн со всеми возможными направлениями колебаний вектораЕ, причем амплитуда этих векторов одинакова во всех направлениях, так что
концы их лежат на окружности:
Этот свет полностью неполяризован, и по своим
поляризационым свойствам существенно отличается
и от линейно-поляризованного и от циркулярно-поляризованного света.
Частично поляризованный свет представляет собой совокупность линейно-
поляризованного и естественного света Его можно рассматривать также как совокупность линейно -поляризованных волн с различными направлениями
колебаний вектора Е,
но амплитуда его не одинакова в различных направлениях, поэтому концы этих векторов лежат не на окружности ( как у естественного света ), а на эллипсе.Форма эллипса может быть разной: от почти круговой (такой свет по своим свойствам близок к естественному), до сильно вытянутой (такой свет уже близок к линейно-поляризованному). Поэтому для более точной характеристики частичнополяризованного света вводится специальный безразмерный параметр: степень
поляризации p , который может принимать значения от нуля до единицы:
Здесь Imax и Imin — интенсивности линейно поляризованных волн вдоль большой и малой осей эллипса.
Полностью поляризованный свет можно преобразовать с помощью специальных поляризационных приборов (компенсаторов и фазовых пластинок) из одной его формы в другую, например линейно поляризованный свет в циркулярно – или эллиптично поляризованный, либо наоборот, но преобразовать полностью поляризованный свет в частично–поляризованный или естественный свет таким прибором невозможно. Но именно такой, неполяризованный, свет излучают обычные источники: солнце, пламя, электрические лампочки и др., и на практике приходится решать обратную задачу — из неполяризованного света получать полностью поляризованный, прежде всего линейно поляризованный свет.
42. Фазовые пластины. Фазовая (волновая) пластина
— это оптический элемент, предназначенный для преобразования состояния поляризации проходящего излучения.
Фазовая пластина создаёт определённую разность фаз между ортогональными линейно-поляризованными компонентами светового излучения.
Длина волны 532, нм
Хроматические фазовые пластины изготовляются на определённую длину волны и отличаются друг от друга нулевым или множественным порядком. Также пластины могут быть полуволновыми (λ/2) или четвертьволновыми (λ/4).
Фазовые пластины нулевого порядка состоят из двух кристаллических пластин, разность толщин которых создаёт разность хода 1/4 или 1/2 длины волны. Оптические оси кристаллических пластин перпендикулярны друг другу. Между собой пластины склеены или на оптическом контакте, или с воздушным промежутком.Фазовые пластины множественного порядка состоят из одной кристаллической пластины толщиной, создающей разность хода (2N+1)/4 или (2N+1)/2 длины волны, где N=1,2,3.
Полуволновые фазовые пластины используются для вращения плоскости поляризации линейно-поляризованного излучения. При циркулярно-поляризованном излучении они служат для изменения направления вращения плоскости.Четвертьволновые фазовые пластины служат для преобразования линейно-поляризованного излучения в циркулярно-поляризованное или эллиптически-поляризованное в линейное при фиксированной ориентации.
Ахроматические фазовые пластины нулевого порядка состоят из двух частей: пластины из кристаллического кварца (SiO2) и пластины из фтористого магния (MgF2).
У этих материалов разные показатели дисперсии двулучепреломления. Поэтому толщины составляющих пластин рассчитываются таким образом, чтобы при определенной ориентации оптических осей, волновая разность хода в получившейся пластине нулевого порядка, слабо менялась в определенном спектральном диапазоне.
Поляризационный светофильтр увеличивает на фотографии визуальную резкость и чистоту цвета. Так, при пейзажной съемке листва деревьев, кроме собственного диффузного отражения, имеет также зеркальное отражение синего света неба. Поляризационный светофильтр позволяет устранить бликующую засветку. За счет этого на фотографии лучше проявляется собственный цвет предметов, увеличивается насыщенность цвета, и с листьев исчезает голубоватый оттенок. Уменьшение засветки кадра рассеянным светом немного увеличивает контраст, что приводит к визуальному увеличению резкости.
Полуволновая и четвертьволновая пластинки. Форма эллипса, описываемого концом вектора Е, определяется свойствами вещества, а также толщиной пластинки и ориентацией вектора Е падающего света. Между двумя лучами (если кристалл одноосный, то это – обыкновенный и необыкновенный лучи) возникает разность фаз
где d – толщина пластинки. Выражение 
называется разностью хода лучей. Если Δ=λ/4, то разность фаз, вносимая пластинкой, будет π/2, и плоскополяризованный свет превращаетсмя в эллиптически поляризованный, причем оси эллипса совпадают с главными направлениями кристалла. Если же плоскость поляризации падающего света составляет 45˚ с осью, то обыкновенный и необыкновенный лучи имеют одинаковую интенсивность и прошедший свет будет поляризован по кругу. Пластинка и называется; четвертьволновая пластинка.
Пусть теперь Δ=λ/2. Тогда разность фаз будет π, плоско поляризованный свет останется плоско-поляризованным, но плоскость поляризации изменится – повернется симметрично оси Это – полуволновая пластинка.С помощью таких пластинок можно менять состояние поляризации света.
43. ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ — различие оптич. свойств среды, связанное с зависимостью скорости световых волн от направления распространения и их поляризации. О. а. проявляется в двойном лучепреломлении, дихроизме, вращении, плоскости поляризации, а также в деполяризации при рассеянии света в среде, в поляризов. люминесценции и т. д. Только в исключительных условиях оптич. излучение определённых поляризаций и направлений распространяется в оптически анизотропных средах не преобразуясь. В прозрачной оптически анизотропной среде световая волна в общем случае представляет собой суперпозицию двух ортогонально поляризов. волн, имеющих разные скорости распространения.
Классическим кристаллом, служащим для изучения эффекта является кристалл исландского шпата (CaCO3). тот кристалл имеет форму параллелепипеда с углами 78˚ и 102˚ При прохождении света через кристалл луч раздваивается. Это явление носит
название двойное лучепреломление. Лучи поляризованы в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях. Один из лучей (обыкновенный) имеет для всех направлений одно и то же значение показателя преломления, для другого луча (необыкновенного) показатель преломления зависит от направления луча. Для исландского шпата n0=1.658;1.486в
Даже если луч света падает на поверхность кристалла нормально, один из лучей отклоняется (рис.11.2), и если кристалл вращать вокруг направления падающего луча, этот необыкновенный луч вращается тоже. В кристалле исландского шпата есть одно направление, при распространении света вдоль которого оба луча имеют один и тот же показатель преломления (рис.11.3). Это направление – оптическая ось кристалла. Кристалл исландского шпата – одноосный. Существуют кристаллы (двухосные) в которых есть два направления, вдоль которых не происходит двойного лучепреломления. Однако тогда оба луча необыкновенные.
Всякая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением кристалла (обычно рассматривают главное сечение, содержащее рассматриваемый луч).
При двойном лучепреломлении оба луча полностью поляризованы. Терминология (исторически сложилось): плоскостью поляризации называют плоскость, в которой лежит вектор Н. Плоскостью колебаний – плоскость, в которой лежит вектор Е. Если на кристалл падал естественный свет, то интенсивности обоих лучей одинаковы если нет поглощения. Существуют кристаллы, в которых один луч поглощается сильнее другого, например, турмалин. Это явление наз. дихроизм. В турмалине обыкновенный луч практически полностью поглощается уже на глубине 1 мм.
Рассмотрим теперь падение на кристалл поляризованного света. В этом случае интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей неодинаковы. Действительно, пусть PP’ (Рис.11.4) – плоскость, в которой
колеблется электрический вектор в падающей волне, O’O’’– плоскость главного сечения. Тогда амплитуды колебаний в лучах будут
A e=Acos
а интенсивности лучей соответственно
Отношение интенсивностей
Отношение интенсивностей обыкновенного и необыкновенного лучей зависит от угла φ между плоскостью колебаний в падающем луче и главным сечением кристалла. Эти соотношения называются правилами Малю.
Поляризация света
Следствием теории Максвелла является поперечность световых волн: напряженность электрического поля E, вектор индукции магнитного поля B и скорость распространения волны v образуют правую тройку векторов. Действие света на вещество определяется в основном колебаниями вектора напряженности. В соответствии с этим вектор напряженности называют еще световым вектором.
Рассмотрим два взаимно перпендикулярные электрические колебания (вдоль осей x и y), отличающиеся по фазе на
, . (1) Результирующая напряженность E является их векторной суммой. Угол между вектором E и осью x определяется выражением
Естественный свет. Поляризованным называется свет, в котором направления колебаний светового вектора упорядочены каким-либо образом. В естественном свете колебания различных направлений быстро и беспорядочно сменяют друг друга. Если разность фаз претерпевает случайные хаотические изменения, то и угол , т.е. направление светового вектора E, будет испытывать скачкообразные изменения. На этом основании естественный свет можно представить как наложение двух некогерентных световых волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющих одинаковую интенсивность.
Плоско поляризованный свет. Допустим, что разность фаз постоянна и равна нулю или (когерентные волны). Тогда согласно (2)
. Следовательно, результирующее колебание совершается в фиксированном направлении. – волна оказывается плоско поляризованной.
Круговая и эллиптическая поляризация света. Допустим теперь, что . С учетом с помощью уравнения (1) можно получить
. Следовательно, световой вектор в некоторой точке описывает при прохождении волны эллипс, оси которого ориентированы вдоль x и y. Такая волна называется эллиптически поляризованной. При произвольном постоянном в общем случае получается эллиптическая поляризация, причем оси эллипса не совпадают с осями координат.
При разности фаз равной нулю или , эллипс вырождается в прямую и получается плоско поляризованный свет. При и равенстве амплитуд складываемых волн эллипс вырождается в окружность – получается циркулярно поляризованный (поляризованный по кругу) свет.
В зависимости от направления вращения вектора E различают правую и левую эллиптическую и круговую поляризацию. Будем наблюдать за вращением вектора E со стороны, в которую движется волна. Если его вращение происходит по часовой стрелке, поляризация называется правой, в противном случае – левой.
Плоскость, в которой лежит световой вектор в плоско поляризованной волне, называется плоскостью колебаний. По историческим причинам плоскостью поляризации называется плоскость, перпендикулярная в плоскости колебаний, т.е. плоскость в которой лежит вектор B.
Плоско поляризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами. Поляризаторы свободно пропускают колебания, параллельные некоторой плоскости (плоскости поляризатора), и полностью или частично задерживают колебания перпендикулярные этой плоскости. На выходе из поляризатора получается свет, в котором колебания одного направления преобладают над колебаниями другого. Такой свет называется частично поляризованным. Частично поляризованный свет, как и естественный, можно представить в виде наложения двух некогерентных плоско поляризованных волн с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. В случае естественного света интенсивность этих волн одинакова, а в случае частично поляризованного – разная.
Если пропустить частично поляризованный свет через идеальный поляризатор, то при его вращении вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах от до . Выражение
(3) называется степенью поляризации. Для плоско поляризованного света и ; для естественного света и . К эллиптически и циркулярно поляризованному свету, колебания которых полностью упорядочены, понятие степени поляризации не применимо, поскольку формальное применение (3) дает .
Пусть на идеальный поляризатор падает плоско поляризованный свет амплитуды A и интенсивности Исходное колебание можно разложить на два взаимно перпендикулярных колебания с амплитудами и , где – угол между плоскостью поляризатора и плоскостью колебаний падающего света. Первое колебание пройдет через поляризатор, второе будет задержано. Интенсивность прошедшего света пропорциональна , т.е. равна
. (4) Соотношение (4) носит название закона Малюса.
Поставим на пути естественного света два поляризатора, плоскости которых образуют угол . Из первого поляризатора выйдет плоско поляризованный свет, интенсивность которого составляет половину интенсивности естественного света . После прохождения через два поляризатора интенсивность света будет равна
. Максимальная интенсивность света ( ) получается при 0 (поляризаторы параллельны). При скрещенных поляризаторах интенсивность равна нулю (свет не проходит).
Пусть эллиптически поляризованный свет падает на поляризатор. Он пропустит составляющую вектора E, параллельную плоскости поляризатора (рис.). Амплитуда и интенсивность плоско поляризованного на выходе света зависит от ориентации поляризатора. Она максимальна при совпадении плоскости поляризатора с большой полуосью эллипса и минимальна при совпадении первой с малой полуосью эллипса. Такой же характер изменения интенсивности света при вращении поляризатора получается в случае частично поляризованного света. В случае циркулярно поляризованного света вращение поляризатора не сопровождается, как и в случае естественного света, изменением интенсивности прошедшего света.
Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Если угол падения на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла) отличен от нуля, отраженный и преломленный луч оказываются частично поляризованными. В отраженном свете преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, в преломленном луче – колебания параллельные плоскости падения (рис.).
Степень поляризации отраженного и преломленного лучей можно получить с помощью формул Френеля. Эти формулы выводятся из граничных условий для электромагнитного поля на границе раздела двух диэлектриков. Каждую (падающую, отраженную, преломленную) световую волну можно представить в виде суперпозиции двух волн, колебания в одной из которых совершаются в плоскости падения, а в другой – перпендикулярно этой плоскости. В обозначениях
и – амплитуды падающих волн,
и – амплитуды отраженных волн,
и – амплитуды преломленных волн, формулы Френеля имеет следующий вид
, , (6) Из этих формул вытекает, что преломление происходит при всех условиях без изменения фазы волны. При отражении происходит изменение фазы, зависящее от следующих условий. При падении под углом, меньшим угла Брюстера (см. ниже), отражение от оптически более плотной среды сопровождается изменением фазы на ; отражение от оптически менее плотной среды происходит без изменения фазы. В случае, когда , фазовые соотношения для обеих компонент оказываются различными.
Обозначим через угол падения, при котором (отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны). Из первой формулы получается, что при падении под углом амплитуда обращается в нуль. Следовательно, в отраженной волне присутствуют лишь колебания, перпендикулярные к плоскости падения, – отраженная волна полностью поляризована. Из закона преломления несложно установить, что
. (7) Это соотношение носит название закона Брюстера, а угол называют углом Брюстера.
С помощью формул Френеля можно определить интенсивности отраженного и преломленного света. Для малых углов падения в результате получается
Поляризация при двойном лучепреломлении. При прохождении света через все прозрачные кристаллы, за исключением кристаллов, принадлежащих к кубической системе, наблюдается явление, получившее название двойного лучепреломления. Это явление заключается в том, что упавший на кристалл луч разделяется внутри кристалла на два луча, распространяющиеся, вообще говоря, с разными скоростями и в разных направлениях.
Кристаллы, обладающие двойным лучепреломлением, подразделяются на одноосные и двуосные. У одноосных кристаллов имеется одно направление, вдоль которого лучи распространяются, не разделяясь, с одинаковой скоростью. Это направление называются оптической осью кристалла. У двухосных кристаллов имеются два таких направления (две оптические оси).
У одноосных кристаллов (исландский шпат, кварц, турмалин) один из преломленных лучей подчиняется обычному закону преломления. Этот луч называется обыкновенным и обозначается буквой o. Другой луч называется необыкновенным и обозначается буквой e. Преломление необыкновенного луча происходит по другому закону. Даже при нормальном падении света на кристалл необыкновенный луч, вообще говоря, отклоняется от нормали. Кроме того, необыкновенный луч не лежит, как правило, в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. У двухосных кристаллов (слюда, гипс) оба луча необыкновенные. В дальнейшем речь будет идти только об одноосных кристаллах.
Исследования показывают, что вышедшие из кристалла лучи плоско поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Плоскость, проходящая через луч света и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью (или главным сечением) кристалла. Колебания светового вектора в обыкновенном луче происходят перпендикулярно главной плоскости, в необыкновенном – в главной плоскости (рис.).
Двойное лучепреломление объясняется анизотропией кристаллов. В кристаллах некубической системы диэлектрическая проницаемость зависит от направления. В одноосных кристаллах в направлении оптической оси и в направлениях, перпендикулярных к ней, имеет различные значения и . В других направлениях имеет промежуточное значение. Показатель преломления . Для большинства прозрачных веществ практически 1, поэтому можно считать .
В обыкновенном луче световой вектор перпендикулярен оптической оси кристалла и, следовательно, скорость распространения луча для всех направлений будет одна и та же . Расстояние от точечного источника света до волновой поверхности пропорциональна лучевой скорости в соответствующем направлении. Поэтому, если в кристалле находится такой источник, то волновая поверхность для обыкновенных лучей является сферой.
В необыкновенном луче световой вектор лежит в главной плоскости. Для луча, распространяющегося вдоль оптической оси, световой вектор перпендикулярен оптической оси. Скорость распространения луча в этом направлении такая же как для обыкновенного . Для луча, распространяющегося перпендикулярно оси, . Для других лучей скорость имеет промежуточное значение. Можно показать, что волновая поверхность необыкновенных лучей представляет собой эллипсоид вращения. В местах пересечения с оптической осью волновой эллипсоид необыкновенного луча и волновая сфера обыкновенного соприкасаются.
Одноосные кристаллы характеризуются показателем преломления обыкновенного луча и показателем преломления необыкновенного луча . В зависимости от того, какая из скоростей, или , больше, различают положительные и отрицательные одноосные кристаллы (рис.). У положительных кристаллов (или ). У отрицательных кристаллов (или ).
Ход обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле можно определить с помощью принципа Гюйгенса. При построении, нужно учитывать, что лучами являются линии, вдоль которых распространяется энергия световой волны. Как будет видно ниже, нормаль к волновой поверхности не обязательно совпадает с направлением луча.
На рис. изображены три случая нормального падения света на поверхность кристалла, отличающиеся направлением оптической оси. В случае а лучи o и e распространяются вдоль оптической оси не разделяясь. В случае б оптическая ось кристалла параллельна преломляющей поверхности. При нормальном падении света обыкновенный и необыкновенный лучи идут в одном направлении, но с разной скоростью. В случае в обыкновенный луч o после преломления распространяется вдоль нормали к поверхности кристалла. Необыкновенный же луч e заметно отклоняется от нормали.
Анализ поляризованного света. Пусть на кристаллическую пластинку, вырезанную параллельно оптической оси, нормально падает плоско поляризованный свет (рис.). Внутри пластинки он делится на обыкновенный и необыкновенный лучи, которые в кристалле движутся в одном направлении с разными скоростями. На входе в пластинку разность фаз этих лучей равна нулю, на выходе из пластинки
. Вырезанная параллельно оптической оси пластинка, для которой
, называется пластинкой в четверть волны. При прохождении через такую пластинку обыкновенный и необыкновенный лучи приобретают разность фаз /2.
Плоско поляризованный свет, можно представить как суперпозицию двух волн, поляризованных вдоль оптической оси кристалла и перпендикулярного ей направления (т.е. обыкновенного и необыкновенного луча) с разностью фаз, равной нулю. Пластинка, при прохождении этих лучей, внесет разность фаз /2. Следовательно, плоско поляризованный свет превращается в эллиптически поляризованный (в частном случае в циркулярно поляризованный). Параметры поляризации определяются разностью фаз и углом между плоскостью поляризации исходной волны и оптической осью кристалла.
Эллиптически поляризованный свет можно представить как суперпозицию двух волн, поляризованных вдоль главных полуосей эллипса, с разностью фаз /2 (в случае циркулярно поляризованного света в виде волн, поляризованных вдоль любых двух взаимно перпендикулярных направлений). Если на пути эллиптически поляризованного света поместить пластинку в четверть волны, оптическая ось которой ориентирована параллельно одной из осей эллипса (в случае циркулярно поляризованного ориентация пластинки произвольна), то она внесет дополнительную разность фаз /2. Результирующая разность фаз станет равной нулю или .
Циркулярно поляризованный свет, пройдя пластинку, становится плоско поляризованным. Если на пути луча поставить поляризатор, то можно добиться полного его гашения. Если же падающий свет естественный, то он при прохождении пластинки таковым и останется (при любом положении пластинки и поляризатора интенсивность прошедшего поляризатор луча не меняется).
Эллиптически поляризованный свет, пройдя соответствующим образом ориентированную пластинку (ее оптическая ось совпадает по направлению с одной из осей эллипса), превращается в плоско поляризованный. Прошедший свет можно погасить поворотом поляризатора. При произвольной ориентации пластинки на выходе получится эллиптическая поляризация, но с другими параметрами.
Таким образом, с помощью пластинки в четверть волны и поляризатора можно отличить эллиптически поляризованный свет от частично поляризованного или циркулярно поляризованный свет от естественного.
Искусственное двойное лучепреломление. В прозрачных аморфных телах, а также кристаллах кубической системы может возникать двойное лучепреломление под влиянием внешних воздействий. Первоначально оптически изотропные вещества становятся оптически анизотропными под действием: 1) одностороннего сжатия или растяжения (кристаллы кубической системы, стекла); 2) электрического поля – эффект Керра (жидкости, аморфные тела, газы); 3) магнитного поля – явление Коттон-Мутона (жидкости, стекла). Вещество при указанных воздействиях приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением деформации, электрического или магнитного полей соответственно.
Возникающая при воздействии оптическая анизотропия характеризуется разностью показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей (для последнего в направлении перпендикулярном оптической оси)
(в случае деформации);
(в случае электрического поля);
(в случае магнитного поля), где , , – постоянные, характеризующие вещество, – нормальное напряжение, E и H – соответственно напряженность электрического и магнитного полей.
Двойное лучепреломление при деформации связано с деформационной анизотропией первоначально изотропного кристалла. Эффект Керра (как и явление Коттон-Мутона) объясняется различной поляризуемостью молекул по разным направлениям. Под действием электрического поля молекулы, обладающие дипольным моментом, приобретают преимущественную ориентацию по полю. Аналогичная ситуация возникает в магнитном поле, если молекулы вещества обладают собственным магнитным моментом.
Вращение плоскости поляризации. Некоторые вещества (кварц, сахар), называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации. Кварц, который является одноосным кристаллом, при пропускании света вдоль оптической оси должен был бы вести себя как изотропное тело. Однако опыт показывает, что при прохождении через кварц плоско поляризованного света происходит вращение плоскости поляризации.
Опыт показывает, что угол поворота плоскости поляризации для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей
, (1а) для оптически активных растворов
, (1б) где d – расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе, – коэффициент ([] – называется удельным вращением), равный углу поворота поляризации света слоем вещества единичной толщины (и единичной концентрации – для растворов), C – массовая концентрация оптически активного вещества в растворе. Удельное вращение зависит (кроме природы вещества) от температуры и длины волны света в вакууме.
Оптически активные вещества в зависимости от направления вращения плоскости поляризации разделяются на право— и левовращающие. В первом случае плоскость поляризации, если смотреть навстречу лучу, вращается вправо (по часовой стрелке), во втором – влево (против часовой стрелки). Направление вращения не зависит от направления луча. Поэтому, если луч, прошедший через оптически активный кристалл, отразить зеркалом в обратном направлении, то восстановится положение плоскости поляризации.
Френель предположил, что явление вращения поляризации сводится к особому типу двойного лучепреломления: причиной вращения является различие в скорости распространения левого и правого циркулярно поляризованного света. При этом для правых веществ большее значение имеет скорость правокруговой волны ( ), а для левых веществ – наоборот ( ).
Плоско поляризованный свет можно представить как суперпозицию двух циркулярно поляризованных волн, правой и левой, с одинаковой частотой и амплитудой. Предположим, что две такие волны распространяются в направлении оси z. Результирующую волну можно представить уравнением
. Действительную часть этого выражения рассматриваем как x составляющую светового вектора, мнимую – как y составляющую. При распространении в оптически неактивной среде и волна описывается уравнением
, т.е. является плоско поляризованной.
При распространении в оптически активной среде направление колебаний светового вектора меняется по закону
. Следовательно, при прохождении в веществе пути l происходит поворот плоскости поляризации на угол
. (2) Формула (2) показывает, что в веществах, для которых плоскость поляризации поворачивается влево, а в веществах, для которых – вправо.
Оптически неактивные вещества приобретают способность вращать плоскость поляризации под действием магнитного поля. Это явление называется эффектом Фарадея. Оно наблюдается только при распространении света вдоль направления намагниченности. Угол поворота плоскости поляризации света
, (3) где коэффициент V называется постоянной Верде, l – длина пути, H – напряженность магнитного поля.
Направление вращения определяется направлением магнитного поля. Поэтому, если отразить луч зеркалом в обратном направлении, то поворот плоскости поляризации удвоится по сравнению с однократным прохождением.
Круговая поляризация света
Свет является одной из разновидностей электромагнитного излучения, поэтому его возможно охарактеризовать источником и направленностью. Кроме того, данное явление имеет двойственную природу: в одном пространстве оно представляет собой волну, а в другом – фотон.
Рисунок 1. Свет, поляризованный по кругу. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Определение 1
Поляризация света — это одно из важнейших свойств любого светового излучения, наблюдаемого в оптическом диапазоне.
Статья: Круговая поляризация света
Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов
При поляризации колебания частиц оптического вектора, направленных на поперечную поверхность, происходят в одной и той же плоскости. Другие составляющие в процессе отсекаются.
Замечание 1
Так как свет – это электрическая и магнитная волна, то оно непосредственно зависит от электромагнитных осей напряженности.
Такие векторы всегда перпендикулярны друг к другу и создают условную среду, которая перпендикулярна основной линии распространения световой волны. Круговая поляризация света появляется в том случае, если все оси магнитной индукции и электрического поля движутся относительно направления пучка света.
В свою очередь, при колебаниях напряженности электрического поля в одном и том же пространстве возникает плоско-поляризованная волна. Ее второе название, отражающее тот же самый физический процесс – «линейно поляризованная».
Особенности круговой поляризации
Определение 2
Круговая поляризация света — одно из распространенных проявлений поперечной линии по отношению к направлению распределении электромагнитных полей анизотропии.
Начинай год правильно ��
Выигрывай призы на сумму 400 000 ₽
Этот эффект наблюдается в результате «поперечности» колебаний осей напряженности магнитной и электрической волны, при которой появление осевая симметрия луча невозможно. В пространстве возникают выделенные направления колебаний осей в плоскости после анизотропии электромагнитной волны. Из-за взаимной ортогональности веществ для детального описания состояния внутренних колебаний в волне достаточно использовать принцип действия круговой поляризации, в качестве которого выбирают обычно ось напряжённости электрического поля.
Сущность физического явления круговой поляризации волны света ясна из следующих рассуждений. Рассмотрим две абсолютно плоские монохроматические волны, имеющие одинаковую интенсивность, располагающуюся вдоль вектора декартовой системы координат. При сложении всех показателей когерентных изменение получается волна, в которой конкретный вектор вращается вокруг своей оси.
В световой волне вращение вектора напряжённости, которое происходит в направлении против часовой стрелки, носит название поляризованной по левому кругу. Соответственно, волна света, вращение оси напряженности которой осуществляется по часовой стрелки, называется поляризованной по правому кругу.
Две произвольные световые волны, поляризованные по двум направлениям, не могут взаимодействовать между собой, так как в их совместном наблюдении не возникает интерференционной картины. Это считается основанием относить эти процессы к волнам с ортогональной, постоянной поляризацией.
Из сказанного выше следует метод получения плоского светового излучения с круговой поляризацией. Для этого нужно просто сложить две плоские линейно поляризованные оси в соответствующих направлениях световые волны.
Получение кругового поляризованного света
Как известно из гипотезы колебаний, определенное состояние поляризации возникает при взаимодействии двух монохроматических перпендикулярных световых волн, имеющие равные частоты и распространяющиеся строго в одном направлении. Этот процесс происходит при определенных соотношениях их амплитуд и разности фаз.
Из вышеизложенного следует, что для получения кругового поляризованного света необходимо:
- получить две прямые перпендикулярные с одинаковыми амплитудами и монохроматические волны света равной частоты, движущиеся в одну сторону;
- создать между этими волнами разность фазовых амплитуд;
- пропустить линейно поляризованный свет с длиной волны через определенную плоскопараллельную пластинку толщиной, соответствующую параметрам кристалла.
В этом случае пластинка находится параллельно оптическому вектору. Круговая поляризованная световая волна во время попадания в тонкую пластинку, автоматически разбивается на две — обыкновенную и необыкновенную. Будучи линейно поляризованными, пучок света располагается во взаимно перпендикулярных средах, а волны приобретут на выходе из нее разность фаз.
Применение круговой поляризации
Чаще всего круговая поляризации используется для разработки различных оптических эффектов, а также в современном 3D-кинематографе, где это явление применяется для разделения ярких изображений, предназначенных левому и правому глазу.
Круговая поляризация внедряется в антеннах космических линий связи, так как для приёма сверхвысокого сигнала важно не только его положение устройства, а и плоскость приёмной и передающей частот. То есть вращение любого космического аппарата не повлияет на вероятность нормальной связи с ним. В наземных линиях зачастую применяется антенны линейной поляризации. Конструкцию круговой поляризации выполнить сложнее, так как само явление рассматривается только с точки зрения теорий. На практике задействуют антенны эллиптической поляризации — с правым или левым направлением вращения.
Круговая поляризация позволяет избегать двоение картинки при незначительных боковых наклонах головы и сохранять начальный стереоэффект. Также, данный эффект находит широкое применение в автомобилях: стекло фар всегда поляризовано в горизонтальной плоскости, а лобовое стекло — в вертикальной. Благодаря этому встречная машина не способна ослепить водителя ярким светом от фар.
Рисунок 2. Применение поляризации. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Без круговой поляризации не обходятся и современные фильтры для фотоаппаратов, а также и стереокино, которое снимается специальными камерами. Для просмотра необходимы стерео-очки. Правый и левый глаз видит изображение так, как его передают два объектива камеры. Создаётся впечатление невероятного объема кадра. Если же посмотреть на монитор без специальных очков, то картинки будет не резкими и смазанным. Чтобы получить поляризованное и качественное изображение на объективы камер, обязательно надеваются соответствующие светофильтры.