Поляризация света при отражении и преломлении

Пусть на границу раздела двух диэлектриков с различными показате­лями преломления п₁ и п₂ падает луч естественного света. Обозначим компоненту вектора напряженности Е электрического роля, перпенди­кулярную плоскости падения, как E_┴, а лежащую в плоскости падения - Е_║. В естественном свете амплитуды компонент Е_┴ и Е_║ равны между собой.

При отражении и преломлении естественного света на границе разде­ла двух диэлектриков свет частично поляризуется, т.е. в отраженном луче преобладают колебания вектора Е_┴, перпендикулярные плоскости падения, а в преломленном луче - колебания вектора Е_║ в плоскости падения (рис. 14.5). Теория Максвелла позволяет найти связь ампли­туд колебаний векторов Е_┴_ и E_║ в отраженном и преломленном лучах с амплитудами колебаний напряженности в падающем луче (формулы Френеля), а также соответствующие коэффициенты отражения

ρ_┴ = I_┴._отp / I_{┴ Пад}

ρ_║ = I_║отр/ I_{║ Пад}

Здесь I_{┴ Пад} и I_{║ Пад} ~ интенсивности ┴ и ||-компонент в падающем луче, I_┴._отp и I_║отр ~ интенсивности компонент в отраженном луче.

На рис. 14.6 представлена зависимость коэффициентов отражения ρ _s и ρ _p от угла падения а при падении света на стекло, для которого по­казатель преломления имеет значение п = 1,52. Из рисунка видно, что при всех углах 0 < а < π/2 s-компонента имеет больший коэффициент отражения, следовательно в отраженном свете s-колебания будут преоб­ладать над р-колебаниями.

0⁰ 30° 60° 90°

Угол падения а

Рис. 14-5. Поляризация света

Рис. 14.6. Коэффициенты отражения света при

отражении от стекла

При некотором значении а_B угла падения а, называемом углом Брюстера, компонента Е_║ не отражается. В этом случае отраженный свет окажется полностью поляризованным перпендикулярно плоскости паде­ния (рис. 14.7). При угле Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны, т.е. сумма угла падения и угла преломления β равна π/2

Рис. 14.7. Угол Брюстера

Поэтому с учетом закона

Снеллиуса (преломление)

sin a/sinβ=n₂/n₁

будем иметь (14.10)

Соотношение (14.10) называют зако­ном Брюстера. Рис. 14.7 относится к случаю падения света из воздуха (n₁ = 1) на стекло (n₂ = 1,52). При этом угол Брюстера а = 56°40'.

Преломленный луч поляризован всегда лишь частично, в нем преоб­ладают колебания, происходящие в плоскости падения. Степень поляри­зации преломленного луча становится наибольшей при угле падения а_B. Чтобы достичь еще большей степени поляризации преломленного луча, его пропускают под углом Брюстера через стопу стеклянных пластинок, сложенных одна с другой (стопа Столетова). Если стопа состоит из 8 - 10 пластинок, то проходящий через нее свет практически полностью поля­ризован. Интенсивности отраженного и прошедшего лучей одинаковы и каждая составляет половину интенсивности падающего луча (если пре­небречь поглощением в стекле). Направление колебаний в отраженном и прошедшем лучах взаимно перпендикулярны.

Рассмотрим теперь физическую суть явления поляризации света при
отражении от поверхности какого-либо тела. Световая волна при своем
движении в веществе заставляет заряды, входящие в состав его моле­
кул, совершать вынужденные колебания, т.е. колебания, частота кото­
рых равна частоте волны. Движущиеся заряженные частицы создают
в пространстве переменные электрическое и магнитное поля, т.е. ис­
пускают электромагнитные волны. Эти волны называют вторичными.
Волна, отраженная от поверхности тела, представляет собой суперпози­
цию вторичных волн. Преломленная световая волна есть суперпозиция
падающей (первичной) волны и вторичных волн, распространяющихся в
том же направлении.

На заряд q в электромагнитном поле действуют две сила. Электри­ческое поле действует на этот заряд с силой F_e = qE. Действие на заряд магнитного поля определяется силой Лоренца. Причем первая си­ла существенно превышает по величине вторую. Поэтому заряженная частица в электромагнитной волне совершает вынужденные колебания в направлении вектора Е напряженности электрического поля. Движу­щийся заряд испускает электромагнитные волны во всех направлениях. Однако интенсивности этих волн не одинаковы. Наибольшей интенсивно­стью обладают вторичные волны, испущенные в направлениях, которые перпендикулярны скорости движения заряда, т.е. направлению вектора

Е напряженности поля первичной волны. В направлении, в котором

происходят вынужденные колебания заряда, т.е. вдоль вектора Е элек­тромагнитные волны зарядом не испускаются. При падении света на поверхность тела под углом Брюстера направление вынужденных коле­баний зарядов под действием поля Е_║ совпадает с направлением отра­женного луча (рис. 14.7). Поэтому интенсивность I_║отраженного света равна нулю.