Что такое круговая поляризация света

15

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;1.486<=n_в<=1.658

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.

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

Поляризация света — это одно из важнейших свойств любого светового излучения, наблюдаемого в оптическом диапазоне.

При поляризации колебания частиц оптического вектора, направленных на поперечную поверхность, происходят в одной и той же плоскости. Другие составляющие в процессе отсекаются.

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

Круговая поляризация света — одно из распространенных проявлений поперечной линии по отношению к направлению распределении электромагнитных полей анизотропии.

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.

Поляризация света

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

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

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

Рис. 1. Двойное лучепреломление при прохождении через кристалл исландского шпата

Что такое поляризация света?

Поляризация света – это явление выделения лучей из пучка естественного света, которые имеют определенную ориентацию электрического вектора.

Поляризация света — это физическое явление света, в результате него электрические векторы световой волны ориентируются в плоскости, параллельной той, в которой свет распространяется. Выделяют линейную, эллиптическую и круговую поляризацию.

Поляризация возникает при отражении, преломлении, прохождении света

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

При поляризации света при отражении преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения

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

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

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

Законы поляризации света

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

Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2 φ: I

Рис. 2. Изображение к закону Малюса

Для продольных волн направление движения луча считается осью симметрии.

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

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

Рис. 3. Изображение поперечной волны на резиновом жгуте

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

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

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

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

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

Рис. 4. Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна

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

Виды поляризации света

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

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

Плоскость колебания — это плоскость, в которой движется световой вектор \[\vec\](на рисунке это плоскость yz).

Плоскость поляризации света — это плоскость, в которой совершает колебательные движения магнитный вектор \[\vec\](на рисунке это плоскость xz).

Угол поляризации света (угол Брюстера) – это угол падения света, при котором отраженный луч полностью поляризован.

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

Рис. 5. Образование эллиптической поляризованной волны в результате сложения двух взаимно перпендикулярных поляризованных волн

Эллипс поляризации — это эллипс, который описывает в пространстве конец вектора. Он возникает за один период светового колебания, когда в эллиптически поляризованной волне в любой плоскости P, находящейся перпендикулярно направлению распространения волны, конец вектора \[\vec\] совершает некоторый эллипс.

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

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

Пространственная структура эллиптически поляризованной волны показана на рисунке 6.

Поляризация света простыми словами: что это такое, типы, примеры

Если свободный конец веревки, привязанной к устойчивому объекту, регулярно «помахивать», то на ней образуется поперечная волна. Она может быть колеблющейся в одной плоскости — вертикальной, горизонтальной или под определенным углом к горизонтали. Такая волна называется поляризованной. Если веревка вибрирует неравномерно, в разных плоскостях, через нее будет распространяться неполяризованная волна. Свет, который является электромагнитной волной, ведет себя подобно волне на веревке. Это свойство используется, например, в 3D-очках для различения изображения для левого и правого глаза.

Поперечная волна называется плоскополяризованной, eсли колебания во всех ее точках происходят только в одной плоскости.

Применительно к свету термин поляризация ввел в 1704-1706 г. Ньютон.

Поляризованная световая волна

Свет — это волна электромагнитного излучения, т.е. возмущение электрического и магнитного поля, перемещающегося в пространстве. Для простоты мы будем говорить о монохроматическом свете, то есть о гармонической волне с определенной частотой и длиной волны.

Электромагнитная волна — это поперечная волна. Это означает, что его электрическое поле E всегда перпендикулярно (колеблется перпендикулярно) направлению распространения волны. Мы говорим, что волна поляризована, если электрическое поле в любой точке имеет одинаковое направление. Пример поляризованной волны показан на рисунке 1.

Итак, поляризация света описывает направление колебаний вектора электрического поля.

Поляризованная волна (от англ. polarized wave) — волна, электрическое поле которой колеблется в одной плоскости.

Рис. 1. Поляризованная волна

Волна, показанная на рис. 1, колеблется в вертикальном направлении. Направление колебаний поляризованной волны называется направлением поляризации. Это направление может быть любым — волна может колебаться вертикально (рис. 2. b), горизонтально (рис. 2. a) или под определенным углом (рис. 2. c).

Рис. 2. Волны с различными направлениями поляризации

Неполяризованная волна

Не все волны поляризованы. В некоторых волнах направление электрического поля хаотично меняется от места к месту. Такая волна называется неполяризованной (рис. 3).

Рис. 3. Неполяризованная волна

Такова природа света, излучаемого нагретым металлом, например, вольфрамовой нитью обычной лампочки. Свет, излучаемый светящимся атомарным газом, например, неоновой лампой (светятся атомы неона) или пламенем газовой горелки с соляным раствором (светятся атомы натрия), также неполяризован.

Используя последний пример, мы объясним, почему эти волны неполяризованы. В результате нагревания тела атомы начинают вибрировать и светиться, чтобы избавиться от избытка энергии. Направления колебаний этих атомов случайны, и поэтому направление электрического поля излучаемой электромагнитной волны также изменяется случайным образом. На рис. 4 мы видим три атома, которые являются источником волн с разной поляризацией. Результатом их объединения является неполяризованная волна.

Рис. 4. Колеблющиеся атомы являются источником волн с различной поляризацией

Разложение любой волны на две поляризованные волны

Каждая волна может быть разложена на две поляризованные волны с произвольно выбранными перпендикулярными направлениями электрического поля. Это следует из простого факта: каждый вектор на плоскости может быть представлен как сумма двух векторов, перпендикулярных друг другу. Это относится как к поляризованным, так и к неполяризованным волнам.

Такое разложение поляризованной волны с «любым» направлением поляризации на волну с вертикальным электрическим полем (зеленая волна) и горизонтальным электрическим полем (красная волна) показано на рис. 5.

Рис. 5. Разложение поляризованной волны с «любым» направлением поляризации на волну с вертикальным электрическим полем (зеленая волна) и горизонтальным электрическим полем (красная волна)

Поляризатор

Поляризатор — это устройство, которое из падающего неполяризованного света пропускает только те электромагнитные волны, электрический вектор которых лежит в направлении, заданном поляризатором.

Система, называемая поляризатором, работает следующим образом. У него есть определенная направленность. На рис. 6 это горизонтальное направление.

1. Если на поляризатор падает поляризованная волна, в которой направление электрического поля совпадает с направлением выделенной волны, то она проходит через него без изменения амплитуды (рис. 6. a).
2. Если на него падает поляризованная волна, в которой направление электрического поля перпендикулярно выделенному направлению, то она вообще не проходит (рис. 6. b).
3. Если на него падает поляризованная волна, у которой направление поляризации образует ненулевой угол с выделяемым направлением, то проходит только ее составляющая вдоль выделяемого направления (рис. 6. c и 6. d). Пройдя через него, волна, очевидно, становится поляризованной.
4. Если на поляризатор падает неполяризованная волна, то через него проходит только ее составляющая вдоль выделенного направления. Очевидно, что это поляризованная волна. Таким образом, поляризатор преобразует неполяризованную волну в поляризованную.

В настоящее время для поляризации света обычно используются специальные пластиковые пленки, называемые поляризационными фильтрами. Такие пленки используются в компьютерных мониторах.

Поляризационный фильтр (от англ. polarizing filter) — широко известен как поляроид; прозрачная пластина или пленка, которая действует как поляризатор, т.е. устройство, которое из падающего неполяризованного света пропускает только те электромагнитные волны, электрический вектор которых лежит в направлении, указанном поляризатором.

Частично поляризованный свет

Есть и другая возможность. Электрические поля световой волны принимают все возможные направления, но вероятность их возникновения неодинакова. Для определенного направления он наибольший, а для перпендикулярного ему направления — наименьший. Когда мы исследуем такой свет с помощью вращающегося поляризатора, мы получаем результат, показанный на рис. 7. Мы говорим о таком свете, что он частично поляризован.

Рис. 7. График зависимости интенсивности света от угла поворота поляризатора, полученный при испытании частично поляризованного света.

Поляризация света при отражении

В повседневной жизни мы постоянно наблюдаем прохождение света через стеклопакеты. Мы видим, что обычно свет попадает в стекло и отражается от его поверхности одновременно. Однако оказалось, что при правильном выборе источника света и угла наклона свет может вообще не отражаться. Это определяется поляризацией световой волны.

Предположим, что луч поляризованного света падает на поверхность двух сред под углом α ≠ 0⁰. Плоскость, содержащая падающий луч и нормаль, называется плоскостью падения. На рисунке 8 эта плоскость обозначена синим цветом.

Когда мы рассматриваем падение поляризованного света на поверхность, то должны различать два основных случая. Они показаны на рис. 8. В обоих случаях луч света движется по прямой линии x:

• a. Электрическое поле (красные векторы) электромагнитной волны перпендикулярно плоскости падения (синяя плоскость),
• b. Электрическое поле E гармонической электромагнитной волны параллельно плоскости падения (красные векторы лежат на синей плоскости). Затем это поле образует угол α с границей среды. Этот угол также лежит в плоскости падения (синяя плоскость).

Было исследовано, как зависит величина электрического поля отраженного света от угла падения для вещества с показателем преломления n в этих ситуациях. На рис. 9 показано отношение величины амплитуды электрического поля отраженного света к амплитуде падающего света E₀ при прохождении света из воздуха в среду с показателем преломления n=1,5 в зависимости от угла падения. Таким материалом является, например, стекло.

Рис. 9. Отношение величины амплитуды электрического поля отраженного света к амплитуде падающего света в зависимости от угла падения.

a. Синяя кривая соответствует поляризации (a) на рис. 8. Для перпендикулярного падения, т.е. α = 0⁰, отношение E/E₀ равно 0,2. По мере увеличения угла α увеличивается величина E/E₀. Это означает, что все большая часть падающего света отражается, а не преломляется. Отношение E/E₀ достигает 1 при значениях угла α, приближающихся к 90°. Тогда весь свет отражается.

b. Красная кривая соответствует поляризации (b) на рис. 8. Для α = 0⁰, т.е. света, падающего перпендикулярно поверхности, отношение E/E₀ равно 0,2. Тогда нет никакой разницы между случаем (a) и случаем (b). По мере увеличения угла α величина E/E₀ первоначально вообще не увеличивается, а наоборот уменьшается. Свет отражается все меньше и меньше. Величина E/E₀ достигает нуля для определенного угла. Этот угол α_B называется углом Брюстера. Он зависит от показателя преломления вещества. Для n = 1,5 он равен α_B = 56,3°. Для углов, превышающих α_B, отношение E/E₀ увеличивается и приближается к единице при значениях угла α, приближающихся к 90°. Тогда весь свет ведет себя как в случае (a).

Угол Брюстера удовлетворяет простому соотношению tg α_B = n .

Полная поляризация света при отражении

Рассмотрим далее, что произойдет, если неполяризованный свет, например, от обычной лампочки, будет падать на стекло под углом Брюстера. Такая волна может быть разложена на две поляризованные волны с перпендикулярными направлениями электрического поля, одна типа (a) и другая типа (b).

Каждая волна может быть разложена на две поляризованные волны с произвольно выбранными перпендикулярными направлениями электрического поля. Это вытекает из простого факта: каждый вектор на плоскости может быть представлен как сумма двух векторов, перпендикулярных друг другу (рис. 10). Это справедливо как для поляризованной, так и для неполяризованной волны.

Рис. 10. Разложение вектора электрического поля на два перпендикулярных направления

В случае неполяризованной волны, когда мы разложим ее на составляющие, окажется, что волна (a) будет частично отражена (синяя кривая на рис. 9.), а волна (b) не будет отражена вообще, но полностью проникнет в стекло (красная кривая на рис. 9.). Таким образом, отраженный свет будет содержать только один компонент, т.е. он будет полностью поляризован, с направлением электрического поля, как на рис. 2a.

Частичная поляризация света при отражении

Для всех углов α, отличных от α_B, в отраженном свете присутствуют обе составляющие: (a) и (b). За исключением α = 0⁰ и α до 90°, компонент (a) в среднем имеет большее значение, чем компонент (b). При вращении поляризатора наблюдаемая интенсивность света изменяется. Для некоторых углов это самый высокий угол, а для других — самый низкий. Однако полного исчезновения интенсивности света не наблюдается. График интенсивности света в зависимости от угла, на который был повернут поляризатор, показан на рис. 11.

Рис. 11. График интенсивности света в зависимости от угла, под которым установлен поляризатор, для углов падения, отличных от угла Брюстера

Мы называем такой свет частично поляризованным.

Типы поляризации

Поляризация подразделяется на различные типы в зависимости от того, как ведут себя направление колебаний электрического поля и его величина.

• Линейная поляризация: направление колебаний электрического поля постоянно, но его величина периодически меняется.
• Круговая поляризация: здесь величина электрического поля постоянна, но направление его колебаний меняется с фиксированной угловой скоростью.
• Эллиптическая поляризация: при этом типе поляризации изменяется как величина электрического поля, так и направление его колебаний.

Название типов поляризации происходит из того факта, что при взгляде спереди вектор электрического поля имеет следующие геометрические формы (см. рисунок 12).

Рис. 12. Типы поляризации света

При линейной поляризации, например, вектор электрического поля движется вдоль линии, тогда как при круговой поляризации он движется вдоль окружности.

Примеры использования поляризации света

Наконец, мы приводим краткий список областей, в которых поляризация света имеет решающее значение. К ним относятся