Естественный и поляризованный свет

В естественном свете колебания различных направлений быстро и беспорядочно сменяют друг друга. Поляризованный свет – свет, в котором направления колебаний светового вектора упорядочены каким–либо образом.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора (рис. 14, а; луч перпендикулярен плоскости рисунка). В данном случае равномерное распределение векторов Е объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов Е – одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (и, следовательно, Н) называется естественным.

Рис. 14, а – Естественный свет, б – Частично поляризованный свет, в – Плоскополяризованный свет.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким–то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких–либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное!) направление колебаний вектора Е (рис. 14, б), то имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор Е (и, следовательно, Н) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 14, в), называется плоскополяризованным (линейно поляризованным).

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации. Плоско поляризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света – света, для которого вектор Е (вектор Н) изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпендикулярной лучу. Если эллипс поляризации вырождается, то имеем дело с рассмотренным выше плоскополяризованным светом, если в окружность, то имеем дело с циркулярно поляризованным (поляризованным по кругу) светом.

Закон Малюса.

Закон Малюса — физический закон, выражающий зависимость интенсивности линейно–поляризованного света после его прохождения через поляризатор от угла между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора.

где — интенсивность падающего на поляризатор света, — интенсивность света, выходящего из поляризатора, — коэффициент пропускания поляризатора.

Установлен Э. Л. Малюсом в 1810 году.

Закон Брюстера — закон оптики, выражающий связь показателей преломления двух диэлектриков с таким углом падения света, при котором свет, отражённый от границы раздела диэлектриков, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. При этом преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, и его поляризация достигает наибольшего значения (но не 100 %, поскольку от границы отразится лишь часть света, поляризованного перпендикулярно к плоскости падения, а оставшаяся часть войдёт в состав преломлённого луча). Угол падения, при котором отражённый луч полностью поляризован, называется углом Брюстера. При падении под углом Брюстера отражённый и преломлённый лучи взаимно перпендикулярны.

4.3. Двойное лучепреломление.

Двойное лучепреломление — эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие. Впервые обнаружен датским учёным Расмусом Бартолином на кристалле – исландского шпата. Если луч света падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то на этой поверхности он расщепляется на два луча. Первый луч продолжает распространяться прямо, и называется обыкновенным, второй же отклоняется в сторону, и называется необыкновенным.

Направление колебания вектора электрического поля необыкновенного луча лежит в плоскости главного сечения (плоскости, проходящей через луч и оптическую ось кристалла). Оптическая ось кристалла — направление в оптически анизотропном кристалле, по которому луч света распространяется, не испытывая двойного лучепреломления.

Нарушение закона преломления света необыкновенным лучом связанно с тем, что скорость распространения света (а значит и показатель преломления) волн с такой поляризацией, как у необыкновенного луча, зависит от направления. Для обыкновенной волны скорость распространения одинакова во всех направлениях.

Можно подобрать условия, при которых обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются по одной траектории, но с разными скоростями. Тогда наблюдается эффект изменения поляризации. Например, линейно поляризованный свет, падающий на пластинку можно представить в виде двух составляющих (обыкновенной и необыкновенной волн), двигающихся с разными скоростями. Из–за разности скоростей этих двух составляющих, на выходе из кристалла между ними будет некоторая разность фаз, и в зависимости от этой разности свет на выходе будет иметь разные поляризации. Если толщина пластинки такова, что на выходе из неё один луч на четверть волны (четверть периода) отстаёт от другого, то поляризация превратится в круговую (такая пластинка называется четвертьволновой), если один луч от другого отстанет на пол волны, то свет останется линейно поляризованным, но плоскость поляризации повернётся на некоторый угол, значение которого зависит от угла между плоскостью поляризации падающего луча и плоскостью главного сечения (такая пластинка называется полуволновой).

4.4. Вращение плоскости поляризации.

Вращение плоскости поляризации поперечной волны — физическое явление, заключающееся в повороте поляризационного вектора линейно–поляризованной поперечной волны вокруг её волнового вектора при прохождении волны через анизотропную среду. Волна может быть электромагнитной, акустической, гравитационной и т. д.

Линейно–поляризованная поперечная волна может быть описана как суперпозиция двух циркулярно–поляризованных волн с одинаковым волновым вектором и амплитудой. В изотропной среде проекции полевого вектора этих двух волн на плоскость поляризации колеблются синфазно, их сумма равна полевому вектору суммарной линейном–поляризованной волны. Если фазовая скорость циркулярно–поляризованных волн в среде различна (циркулярная анизотропия среды, то одна из волн отстаёт от другой, что приводит к появлению разности фаз между колебаниями указанных проекций на выбранную плоскость. Эта разность фаз изменяется при распространении волны (в однородной среде — линейно растёт). Если повернуть плоскость поляризации вокруг волнового вектора на угол, равный половине разности фаз, то колебания проекций полевых векторов на неё будут вновь синфазны — повёрнутая плоскость будет плоскостью поляризации в данный момент.

Таким образом, непосредственной причиной поворота плоскости поляризации является набег разности фаз между циркулярно–поляризованными составляющими линейно–поляризованной волны при её распространении в циркулярно–анизотропной среде. Для электромагнитных колебаний такая среда называется оптически активной, для упругих поперечных волн — акустически активной. Известен также поворот плоскости поляризации при отражении от анизотропной среды.

Циркулярная анизотропия среды (и, соответственно, поворот плоскости поляризации распространяющейся в ней волны) может зависеть от наложенных на среду внешних полей (электрического, магнитного) и от механических напряжений. Кроме того, степень анизотропии и набег фаз, вообще говоря, могут зависеть от длины волны. Угол поворота плоскости поляризации линейно зависит при прочих равных условиях от длины пробега волны в активной среде. Оптически

активная среда, состоящая из смеси активных и неактивных молекул, поворачивает плоскость поляризации пропорционально концентрации оптически активного вещества, на чём основан поляриметрический метод измерения концентрации таких веществ в растворах; коэффициент пропорциональности, связывающий поворот плоскости поляризации с длиной луча и концентрацией вещества, называется удельным вращением данного вещества.

В случае акустических колебаний поворот плоскости поляризации наблюдается лишь для поперечных упругих волн (так как для продольных волн плоскость поляризации не определена) и, следовательно, может происходить лишь в твёрдых телах, но не в жидкостях или газах.

Общая теория относительности предсказывает вращение плоскости поляризации световой волны в пустоте при распространении световой волны в пространстве с некоторыми типами метрики вследствие параллельного переноса вектора поляризации по нулевой геодезической — траектории светового луча (гравитационный эффект Фарадея, или эффект Рытова — Скротского).

5. Заключение.

Рассмотрев основные разделы, можно сделать вывод свет обладает свойствами поперечной электромагнитной волны.

Интерференцией света называют нелинейное сложение интенсивностей двух или нескольких световых волн, которые в пространстве чередуются максимальными или минимальными уровнями интенсивности. Такое распределение еще называют интерференционной картиной.

Список литературы.

1. Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3–х т. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. — 3–е изд., испр. — М.: Наука. Гл. ред. физ. –мат. лит., 1988. — 496 с.

2. И. В. Савельев «Курс общей физики. Книга 4. Волны. Оптика»

3. Александр Кингсеп, Геннадий Локшин, Олег Ольхов, Издательство: ФИЗМАТЛИТ. «Курс общей физики. Основы физики.» «Том 1. Механика. Электричество и магнетизм. Колебания и волны. Волновая оптика»

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/интерференция_света

5. http://questions-physics.ru/optika/interferentsiya_v_tonkih_plenkah.html

6. http://questions-physics.ru/optika/primenenie_interferentsii_sveta.html

7.http://knowledge.allbest.ru/physics/3c0a65625b3ac7a5c53a88521306c37_0.html

8. http://don.on.ufanet.ru/1/2.html

9. http://any-book.org/download/50601.html

10. http://phys-portal.ru/lections/volnopt_lec.htm

11. http://www.studfiles.ru/preview/1625169/page:8/

12. http://studall.org/all-3545.html

13. http://gigabaza.ru/doc/22010-p39.html

14. http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1455891

15. ru.rfwiki.org/wiki/Вращение_плоскости_поляризации