Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса

Поляризация света

Свет – это поперечная электромагнитная волна.

Для описания закономерностей поляризации света достаточно знать о поведении лишь одного из векторов или .

Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора. Поэтому вектор напряженности электрического поля называют световым вектором.

Реальные источники света излучают так называемый естественный свет. Это излучение создается многими атомами. Поэтому в естественном свете колебания светового вектора в любой точке среды совершаются в разных направлениях, быстро и беспорядочно сменяя друг друга.

Естественным называется свет со всевозможными равновероятными ориентациями светового вектора.

Поляризованным называют свет, в котором направления колебаний светового вектора упорядочены каким-либо образом.

Частично поляризованным называется свет, в котором колебания светового вектора одного направления преобладают над колебаниями других направлений, т.е. имеется преимущественное (но не исключительное) направление колебаний светового вектора.

Эллиптически поляризованным называется свет, в котором световой вектор со временем изменяется так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости перпендикулярной лучу.

В зависимости от направления вращения светового вектора различают правую и левую эллиптическую и круговую поляризации. Если по отношению к направлению, противоположному направлению луча, световой вектор вращается по часовой стрелке, то поляризация называется правой, в противном случае – левой.

У эллипса две полуоси: большая и малая. Когда размер малой полуоси становится равным нулю, получается свет, у которого световой вектор совершает колебания в одной плоскости.

Плоскополяризованным или линейно поляризованным называют свет, у которого световой вектор совершает колебания в одной плоскости, называемой плоскостью поляризации.

Если большая и малая полуоси эллипса становятся равными друг другу, то такой свет называют поляризованным по кругу.

Так как естественный свет можно представить как наложение двух некогерентных э-м волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях имеющих одинаковую интенсивность, то его можно представить так .

Частично поляризованный свет можно представить в виде наложения двух некогерентных плоскополяризованных волн с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний и разными интенсивностями. Поэтому его изображают так .

Эллиптически-поляризованный свет можно представить как наложение двух когерентных плоскополяризованных волн, плоскости колебаний которых взаимно перпендикулярны и амплитуды различны. Если разность фаз складываемых колебаний равна нулю или π, то эллипс вырождается в прямую. Получается плоскополяризованный (или линейно поляризованный) свет. Если разность фаз складываемых колебаний равна ±π/2 и амплитуды складываемых колебаний равны, то эллипс превращается в окружность. Получается свет поляризованный по кругу.

Далее мы подробно будем рассматривать плоскополяризованные волны. Существует несколько возможностей для получения плоскополяризованного света из естественного света. Одна из них, пропустить естественный свет через поляризатор (P).

Поляризатор – это специальное устройство, пропускающее колебания светового вектора одного направления.

В качестве поляризатора могут выступать кристаллы некоторых веществ. Вырезанные из них определенным образом пластинки, обладают способностью пропускать световые колебания только определенного направления. Будем изображать поляризатор в виде пластинки со штриховкой, параллельной плоскости колебаний светового вектора, пропускаемых поляризатором лучей .

Плоскость, параллельную плоскости колебаний светового вектора, пропускаемого поляризатором, будем называть главной плоскостью поляризатора.

1. При падении на поляризатор луча естественного света интенсивностью J_ест интенсивность прошедшего света J₀ уменьшается вдвое, так как через поляризатор проходят только те волны, в которых световой вектор колеблется в плоскости параллельной главной плоскости поляризатора.

При вращении поляризатора вокруг луча естественного света интенсивность прошедшего через поляризатор света J₀ остаётся одной и той же, изменяется лишь ориентация плоскости колебаний света, выходящего из поляризатора. Как в этом убедиться? На пути света, вышедшего из поляризатора поставить еще один поляризатор, который теперь будет выполнять функцию анализатора. При вращении анализатора вокруг направления распространения луча интенсивность света будет изменяться от максимального значения (равного интенсивности света, прошедшего через поляризатор J₀) до нуля. Переход от одного из этих значений к другому будет совершаться при повороте на 90 градусов. Это означает, что при падении поляризованного света на анализатор, главная плоскость которого параллельна главной плоскости поляризатора, то свет полностью проходит через анализатор (без потери интенсивности). Если же главные плоскости поляризатора и анализатора перпендикулярны (скрещены), то свет не проходит через анализатор. А если угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора произвольный? Обозначим его a. Какой будет интенсивность света J, прошедшего через анализатор? Световой вектор , характеризующий поляризованную световую волну, вышедшую из поляризатора, можно разложить на две составляющие и , перпендикулярную и параллельную главной плоскости анализатора. Параллельная составляющая равная пройдет через анализатор целиком, а перпендикулярная – не пройдет.

Поскольку интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды светового вектора, то

.

Закон Малюса: интенсивность света, прошедшего через анализатор (J), равна интенсивности падающего на него плоско-поляризованного света (J₀), умноженной на квадрат косинуса угла между главными плоскостями поляризатора и анализатора.

2. Если пропустить через поляризатор частично поляризованный свет, то при вращении поляризатора вокруг направления луча интенсивность прошедшего луча будет изменяться в пределах от до . Переход от одного из этих значений к другому будет также совершаться при повороте на 90 градусов (за один полный поворот два раза будет достигаться максимальное и два раза минимальное значение интенсивности).

В связи с этим частично поляризованный свет характеризуют степенью поляризации P, которую определяют как

.

Для плоско-поляризованного света и степень поляризации P=1, для естественного света и P=0.

3. Если пропустить через поляризатор эллиптически поляризованный свет, то при вращении анализатора вокруг направления луча интенсивность прошедшего луча будет изменяться в пределах от до . Переход от одного из этих значений к другому будет также совершаться при повороте на 90 градусов.Но к эллиптически поляризованному свету понятие степени поляризации не применимо (у такого света колебания полностью упорядочены, так что степень поляризации всегда равна единице).

4. В случае света поляризованного по кругу, вращение поляризатора не сопровождается изменением интенсивности света, прошедшего через прибор (как и в случае естественного света).