Частично поляризованный свет: Оптика и волны

Оптика и волны

Следствием теории Максвелла является поперечность электромагнитных (световых) волн распространяющихся в вакууме или изотропной среде: векторы напряженности электрического и магнитного полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости v распространения волны (то есть перпендикулярно световому лучу). Явление поляризации света служит надежным обоснованием поперечности световой волны. При рассмотрении поляризации обычно все рассуждения связывают с плоскостью колебаний вектора напряженности электрического поля Е — светового вектора, так как химическое, физиологическое и другие виды воздействия света на вещество обусловлены главным образом электрическими колебаниями. Однако при этом следует помнить об обязательном существовании перпендикулярного ему вектора напряженности магнитного поля Н.

Поляризация электромагнитной волны. Записывая решение для электрического поля плоской электромагнитной волны в виде

(6. 1)

мы предполагали, что направление вектора амплитуды колебаний  не зависит от времени. В этом случае вектор электрического поля всегда и во всех точках волны направлен вдоль одной и той же прямой — колеблется в одной плоскости неизменной ориентации в пространстве.

Плоскость, в которой происходят колебания светового вектора, то есть плоскость, содержащая вектор   и направление распространения волны, называется плоскостью колебаний. Если эта плоскость не меняет во времени своей ориентации, то волна называется — линейно (плоско) поляризованной.

Выбирая ось х вдоль направления распространения волны, а ось у —  вдоль векторной амплитуды , записываем (6.1) в виде

(6. 2)

Однако существует и вторая линейно поляризованная волна, имеющая ту же частоту и распространяющаяся в том же направлении:

(6.3)

Электрические колебания в этой волне направлены вдоль оси z, так что волны (6.2) и (6.3) линейно независимы. Обе они являются решением одного и того же волнового уравнения, так что их суперпозиция также является решением того же уравнения. Сложив эти волны, мы найдем общее выражение для монохроматической волны с данной частотой w, распространяющейся вдоль оси х. Математически эта процедура ничем не отличается от сложения взаимно ортогональных колебаний. Если зафиксировать какую-то точку х и следить за изменением вектора электрического поля в ней, то конец вектора  будет описывать эллиптическую, в общем случае, траекторию в плоскости, параллельной y0z.

Вращение вектора  происходит с частотой волны . В этом случае говорят, что свет имеет эллиптическую поляризацию. Если разность фаз  кратна , то эллиптическая поляризация вырождается в линейную. При равенстве амплитуд Е_0,уи Е_0,гэллипс превращается в окружность. Тогда говорят о круговой поляризации волны. В соответствии с двумя возможными направлениями вращения вектора  возможны право- и левополяризованные волны. Любую электромагнитную волну можно представить как линейную комбинацию двух линейно поляризованных волн или как линейную комбинацию двух волн с круговой поляризацией. Иными словами, электромагнитные волны имеют две внутренние степени свободы.

Естественный и поляризованный

свет. В свете, испускаемом обычными источниками, имеются колебания, совершающиеся в различных направлениях, перпендикулярных к лучу. В таких световых волнах, исходящих из различных элементарных излучателей (атомов), векторы  имеют различные ориентации, причем все эти ориентации равновероятны, что обусловлено большим числом атомных излучателей. Такой свет называется естественным, или неполяризованным.

Если под влиянием внешних воздействий на свет или внутренних особенностей источника света (лазер) появляется предпочтительное, наиболее вероятное направление колебаний, то такой свет называется частично поляризованным. Неполяризованный (естественный) свет может испускаться лишь огромным числом элементарных излучателей. Электромагнитная волна от отдельного элементарного излучателя (атома, молекулы) всегда поляризована. С помощью различных поляризаторов из пучка естественного света можно выделить часть, в которой колебания вектора

 будут происходить в одном определенном направлении в плоскости, перпендикулярной лучу, то есть выделенный свет будет линейно поляризованным.

На рисунках направление колебаний электрического поля линейно поляризованной волны изображается следующим образом. Если вектор Е колеблется в плоскости чертежа, то на направление вектора скорости волны  наносится ряд вертикальных стрелочек (рис. 6.1-1), а если в плоскости, перпендикулярной чертежу, — ряд точек (рис. 6.1-2). Естественный (неполяризованный) свет условно обозначается чередующимися черточками, которым соответствует, например, компонента Е_yвектора напряженности электрического поля, и точками, соответствующими другой компоненте

Е_z (рис. 6.1-3).

Рис. 6.1. Условные обозначения типа  поляризации волны 

Существуют приборы (поляризаторы), пропускающие только колебания, происходящие параллельно некоторой плоскости, называемой плоскостью поляризации прибора, и полностью задерживающие ортогональные колебания. Если пропустить через такой прибор пучок света, то на выходе он будет линейно поляризованным. При вращении прибора вокруг направления луча интенсивность выходящего света будет изменяться от I_MAX до I_MIN.

Степень поляризации света — это величина   (6.4)

Отметим, что формула (6. 4)  пригодна для расчета степени поляризации света лишь в том случае, когда частично поляризованный свет представляет собой смесь естественного света и света линейно поляризованного и не работает, например, в случае смеси естественного света и света поляризованного по кругу. В общем случае степень поляризации может быть рассчитана как отношение интенсивности поляризованной компоненты  к суммарной интенсивности волны, то есть сумме интенсивностей поляризованной  и естественной  компонент смеси:

 

Нетрудно показать, что (6.4) есть частный случай последней формулы.

Если падающий пучок света линейно поляризован, то при положении прибора, когда его плоскость поляризации ортогональна плоскости колебаний волны, свет через прибор не пройдет, то есть . В соответствии с формулой (6.4) степень поляризации такого света . Для частично поляризованного света

и . Для естественного света, где волны разных поляризаций смешаны в равной степени и все направления эквивалентны, интенсивность выходящего света не изменяется при вращении поляризатора, так что  и .

Закон Малюса. В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в отношении колебаний вектора Е, например природные кристаллы турмалина. Монокристалл турмалина поглощает колебания вектора Е в одном направлении настолько сильно, что сквозь пластинку толщиной порядка 1 мм проходит только линейно поляризованный луч. Кристаллы йодистого хинина еще сильнее поглощают одну из поляризаций: кристаллическая пленка толщиной в десятую долю миллиметра практически полностью отделяет один из линейно поляризованных лучей.

Пусть естественный свет распространяется перпендикулярно плоскости рисунка 6.2.

Рис. 6.2. Разложение вектора амплитуды колебаний А

в волне, падающей на поляризатор

Вектор  амплитуды колебаний электрического поля волны, совершающихся в плоскости, образующей с плоскостью поляризатора угол , можно разложить на два колебания с амплитудами

Первое колебание с амплитудой А_|| пройдет через прибор (поляризатор), второе — с амплитудой А — будет задержано (поглощено). Интенсивность прошедшей волны пропорциональна квадрату амплитуды

Падающая волна является смесью волн с различными углами . Усредняя по углам, получаем для интенсивности света на выходе из поляризатора:

(6.5)

где  — интенсивность падающего на поляризатор света. В естественном свете все значения угла  равновероятны:

так что интенсивность света, прошедшего через поляризатор, будет равна . При вращении поляризатора вокруг направления луча естественного света интенсивность прошедшего света остается неизменной, но изменяется лишь ориентация плоскости колебаний света, выходящего из прибора.

Рассмотрим теперь падение линейно поляризованного света с интенсивностью  на тот же поляризатор (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Прохождение линейно поляризованной волны через поляризатор

Видео 6.1 Поляризатор и анализатор для дециметровой волны.

Видео 6.2 Поляризатор и анализатор для трехсантиметровой волны.

Сквозь прибор пройдет составляющая колебаний с амплитудой

где  — угол между плоскостью колебаний вектора Е и плоскостью поляризатора. Следовательно, интенсивность прошедшего света I определяется выражением

(6.6)

которое носит название закона Малюса. 

Видео 6.3 Поляризатор и анализатор для видимого света — 2

Видео 6. 4 Естественный видимый свет. Три поляризатора. Закон Малюса.

Поляризационные приборы по своему целевому назначению делятся на поляризаторы и анализаторы. Поляризаторы служат для получения поляризованного света. С помощью анализатора можно убедиться, что падающий свет поляризован, и выяснить направление плоскости поляризации. Принципиальных различий в конструкционном отношении между поляризатором и анализатором не существует.

Поставим на пути естественного света два поляризатора, плоскости которых образуют угол  (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Пропускание естественного света через систему из двух поляризаторов

Из первого поляризатора выйдет линейно поляризованный свет, интенсивность которого , составит половину интенсивности падающего естественного света . Согласно закону Малюса из второго поляризатора (который играет роль анализатора) выйдет свет с интенсивностью

Таким образом, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора, равна

(6. 7)

Если угол  (плоскости поляризации поляризатора и анализатора параллельны), то ; если  (анализатор и поляризатор скрещены), то .

Пример 1. В частично поляризованном свете амплитуда колебаний, соответствующая максимальной интенсивности света при прохождении через поляризатор, в n = 2 раза больше амплитуды, соответствующей минимальной интенсивности. Определим степень поляризации света.

Поскольку интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды, имеем

Отсюда степень поляризации света равна

Пример 2. На пути света со степенью поляризации Р = 0.6 поставили анализатор так, что интенсивность прошедшего света стала максимальной. Определим, во сколько раз уменьшится интенсивность, если анализатор повернуть на угол ?

В падающем луче по условию (см. предыдущий пример)

При повороте анализатора на угол  будут пропущены колебания, параллельные плоскости поляризации прибора. Поэтому интенсивность пропущенных колебаний, прежде бывших параллельными плоскости поляризации, составит

a интенсивность прошедших колебаний, до поворота задерживавшихся анализатором, равна

Суммарная интенсивность прошедших колебаний равна сумме

Стало быть, интенсивность уменьшится при повороте анализатора в 16/13 = 1.23 раза.

Поляризация при отражении и преломлении. Получить поляризованный свет из естественного можно еще одним способом — отражением. Опыт показывает, что отраженный от поверхности диэлектрика и преломленный лучи всегда частично поляризованы. Когда свет падает на диэлектрическую поверхность, то в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (точки на рис. 6.5), а в преломленном луче — колебания, параллельные плоскости падения (стрелки на рис. 6.5).

Рис. 6.5. Поляризация света при отражении и преломлении

Видео 6. 5 Поляризация естественного света при отражении от стекла.

Степень поляризации зависит от угла падения лучей и от относительного показателя преломления сред. Исследуя это явление, английский физик Д. Брюстер установил, что при определенном значении угла падения

удовлетворяющем условию

(6.8)

отраженный свет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча. Это соотношение известно как закон Брюстера. При

отражается только та компонента вектора напряженности электрического поля, которая параллельна поверхности диэлектрика (перпендикулярна плоскости падения). Соответственно, преломленный луч всегда частично поляризован, так как отражается лишь какая-то доля падающего света (не равная 50 %).

При падении света под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны, отраженный свет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча, а преломленный луч частично поляризован с максимальной степенью поляризации.

Видео 6.6 Угол Брюстера.

Действительно, при

находим с учетом закона преломления

(6.10)

Получаем отсюда

(6. 11)

Таким образом,

откуда следует, что преломленный луч 0С перпендикулярен отраженному лучу 0В (рис. 6.6).

Рис.6.6. Ход лучей при падении света под углом Брюстера: отраженный луч ортогонален преломленному,
 поэтому излучатели типа  (см. текст ниже) не вносят вклад в поляризацию отраженного луча 

Для того чтобы объяснить, почему отраженный при падении под углом Брюстера луч линейно поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, учтем, что отраженный свет есть результат излучения вторичных волн колеблющимися под действием светового вектора волны электрическими зарядами (электронами) в среде II. Эти колебания происходят в направлении колебаний вектора Е.

Разложим колебания вектора Е в среде II на два взаимно перпендикулярных направления (см. рис. 6.6): колебания , происходящие в плоскости падения (показаны стрелками), и колебания , происходящие перпендикулярно плоскости падения (показаны точками). В случае падения под углом Брюстера

отраженный луч 0В перпендикулярен преломленному лучу 0С. Следовательно, 0В параллелен . Из электромагнитной теории Максвелла известно, что колеблющийся электрический заряд не излучает электромагнитных волн вдоль направления своего движения. Поэтому колеблющийся в диэлектрике излучатель типа  вдоль направления 0В не излучает. Таким образом, по направлению отраженного луча 0В распространяется свет, посылаемый только излучателями типа , направления колебаний которых перпендикулярны плоскости падения.

Следует отметить, что на опыте закон Брюстера не выполняется вполне строго из-за дисперсии света.

Пример 3. Определим, на какой угловой высоте над горизонтом должно находиться Солнце, чтобы солнечный свет, отраженный от поверхности воды, был полностью поляризован.

Угол падения света связан с высотой Солнца над горизонтом соотношением

По условию угол падения равен углу Брюстера, так что

Показатели преломления воды п₂ = 1.33, воздуха — п₁ = 1. Отсюда находим

Пример 4. Угол Брюстера при падении света из воздуха на кристалл каменной соли равен . Определим скорость света V в этом кристалле.

Поскольку показатель преломления воздуха равен единице, показатель преломления каменной соли п совпадает с относительным показателем преломления  этих двух сред. Имеем поэтому

Видео 6.7 Поляризация света при двойном лучепреломление на границе раздела с анизотропным (одноосным) кристаллом. 

 

Дополнительные материалы

http://physbook.ru/index.php/Kvant… – Опыты и задачи по поляризации света

http://www.physics.spbstu.ru/forstudents/lectures/zaharov/20. pdf – Н.Г. Захаров. Практические занятия. Поляризация света

http://allphysics.ru/feynman/polyarizatsiya – Фейнмановские лекции по физике. Поляризация.

http://elementy.ru/trefil/21106 – Закон Брюстера.

20.3.1. Частично поляризованный свет. Степень поляризации

Закон Малюса строго выполняется лишь для идеальных поляроидов — поляризатора и анализатора.

Если эти поляроиды частично пропускают свет с вектором , перпендикулярным осям пропускания, то после поляризатора свет будет частично поляризован. Идеальный поляризатор при PP параллельном P’P’ пропустит свет интенсивностью I_max, а при PP перпендикулярной P’P’ — свет интенсивностью I_min.

Степенью поляризации частичного поляризованного света называется величина

.

При идеальном поляризаторе I_min = 0 и P = 1, свет плоскополяризован.

20.4. Эллиптическая и круговая поляризация

Пусть вдоль оси x распространяются две плоскополяризованные когерентные световые волны, у которых колебания вектора происходят вдоль осей y и z, соответственно (см. рисунок ниже).

 

Так как колебания векторов и когерентны, то при их сложении получится вектор , конец которого будет, в общем случае, описывать эллипс в плоскости y, z (14.3.4). Такой свет называют эллиптически поляризованным. Ориентировка эллипса и направление вращения конца вектора зависит от разности фаз α(14.3.4). При α = 0, α = ±π эллипс вырождается в прямую: результирующая волна будет плоскополяризована. При α = ±π/2 и конец вектора будет двигаться по кругу. В этом случае говорят, что свет поляризован по кругу.

20.5. Поляризация при отражении и преломлении

Если на границу раздела двух сред падает под углом, отличным от нуля, естественный свет, то отраженная и преломленная световая волна будут частично поляризованы.

20.5.1. Формулы Френеля

На рисунке изображены и обозначены соответствующими значками составляющие векторов напряженности электрического поля падающей волны , отраженной волны , преломленной волны .

Относительные значения этих величин следуют из граничных условий, налагаемых на электрическое и магнитное поле световой волны. Формулы, связывающие компоненты векторов , были впервые получены О. Френелем и носят название формул Френеля:

Эти формулы и позволяют рассчитать степень поляризации (20.3.1) отраженной и падающей волны для произвольного угла падения.

20.5.2. Закон Брюстера

Пусть угол падения i таков, что отраженный луч перпендикулярен преломленному, т.е. r = π/2 — i_Бр. Это условие называют условием Брюстера (см. рисунок ниже), а угол — углом Брюстера — i_Бр.

Используя закон преломления

(17.1.3.),

получим формулу, определяющую угол Брюстера:

.

При выполнении условия Брюстера i + r = π/2, тогда из формулы Френеля для получим:

Таким образом, при выполнении условия Брюстера, отраженный свет будет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения.

Это утверждение носит название закона Брюстера.

Закон Брюстера имеет простое объяснение. Отраженная световая волна появляется за счет излучения электронов среды, совершающих вынужденные колебания под действием вектора преломленной волны. Это излучение имеет направленный характер (16.4.2.3): его интенсивность равна нулю в направлении колебаний зарядов. Направим под углом Брюстера на границу раздела плоско поляризованную волну с вектором , лежащим в плоскости падения.

На рисунке изображена диаграмма направленности излучения, возбужденного вектором . Нулевой минимум этой диаграммы при выполнении условия Брюстера совпадает по направлению с отраженным лучом.

Если вектор падающей волны направить перпендикулярно плоскости падения (рисунок ниже), то направление колебаний электронов будет перпендикулярно плоскости падения. Тогда диаграмма направленности будет развернута своим максимумом в направлении отраженного луча (рисунок ниже). Напомним, что пространственная форма диаграммы похожа на бублик без дырки (16.4.2.3).

Учебник по физике: поляризация

Световая волна — это электромагнитная волна, распространяющаяся в космическом вакууме. Световые волны создаются вибрирующими электрическими зарядами. Природа таких электромагнитных волн выходит за рамки учебного пособия по физике. Для наших целей достаточно просто сказать, что электромагнитная волна — это поперечная волна, имеющая как электрическую, так и магнитную составляющие.

Поперечная природа электромагнитной волны сильно отличается от любого другого типа волн, которые обсуждались в учебнике по физике. Предположим, что мы используем обычную обтяжку для моделирования поведения электромагнитной волны. По мере того, как электромагнитная волна двигалась к вам, вы могли наблюдать колебания слинки, происходящие более чем в одной плоскости вибрации. Это сильно отличается от того, что вы могли бы заметить, если бы вы смотрели вдоль скользкой волны и наблюдали, как скользкая волна движется к вам. Действительно, витки слинки будут вибрировать взад и вперед по мере приближения слинки; однако эти вибрации происходили бы в одной плоскости пространства. То есть витки слинки могут вибрировать вверх-вниз или влево-вправо. Тем не менее, независимо от направления их вибрации, они будут двигаться в том же прямолинейном направлении, что и вы, наблюдая за слинки. Если бы слинки-волна была электромагнитной волной, то колебания слинки происходили бы в нескольких плоскостях. В отличие от обычной гибкой волны, электрические и магнитные колебания электромагнитной волны происходят во многих плоскостях. Световая волна, колеблющаяся более чем в одной плоскости, называется 9.0005 неполяризованный свет . Свет, излучаемый солнцем, лампой в классе или пламенем свечи, является неполяризованным светом. Такие световые волны создаются электрическими зарядами, вибрирующими в различных направлениях, создавая таким образом электромагнитную волну, вибрирующую в различных направлениях. Эту концепцию неполяризованного света довольно трудно визуализировать. В общем, полезно представить неполяризованный свет как волну, которая в среднем имеет половину своих колебаний в горизонтальной плоскости и половину своих колебаний в вертикальной плоскости.

Можно преобразовать неполяризованный свет в поляризованный свет . Поляризованные световые волны — это световые волны, в которых колебания происходят в одной плоскости. Процесс преобразования неполяризованного света в поляризованный известен как поляризация . Существуют различные методы поляризации света. На этой странице обсуждаются четыре метода:

• Поляризация путем передачи
• Поляризация отражением
• Поляризация преломлением
• Поляризация рассеянием

 

 

Поляризация с использованием фильтра Polaroid

Наиболее распространенный метод поляризации включает использование фильтра Polaroid . Фильтры Polaroid изготовлены из специального материала, способного блокировать одну из двух плоскостей вибрации электромагнитной волны. (Помните, что понятие двух плоскостей или направлений вибрации — это просто упрощение, помогающее нам визуализировать волнообразную природу электромагнитной волны. ) В этом смысле Полароид служит устройством, которое отфильтровывает половину вибраций при пропускание света через фильтр. Когда неполяризованный свет проходит через полароидный фильтр, он выходит с половинной интенсивностью и с колебаниями в одной плоскости; он появляется как поляризованный свет.

 

Фильтр Polaroid способен поляризовать свет благодаря химическому составу фильтрующего материала. Фильтр можно рассматривать как молекулы с длинной цепью, которые выровнены внутри фильтра в одном направлении. Во время изготовления фильтра молекулы с длинной цепью растягиваются поперек фильтра так, чтобы каждая молекула была (насколько это возможно) выровнена, скажем, в вертикальном направлении. Когда неполяризованный свет падает на фильтр, часть волн, колеблющихся в вертикальном направлении, поглощается фильтром. Общее правило состоит в том, что поглощаются электромагнитные колебания, направленные параллельно выравниванию молекул.

Выравнивание этих молекул дает фильтру ось поляризации . Эта ось поляризации проходит по всей длине фильтра и позволяет проходить только тем колебаниям электромагнитной волны, которые параллельны оси. Любые колебания, перпендикулярные оси поляризации, блокируются фильтром. Таким образом, фильтр Polaroid с длинноцепочечными молекулами, ориентированными горизонтально, будет иметь ось поляризации, ориентированную вертикально. Такой фильтр блокирует все горизонтальные колебания и позволяет передавать вертикальные колебания (см. схему выше). С другой стороны, фильтр Polaroid с длинноцепочечными молекулами, ориентированными вертикально, будет иметь ось поляризации, ориентированную горизонтально; этот фильтр блокирует все вертикальные вибрации и позволяет передавать горизонтальные вибрации.

Поляризация света с помощью полароидного фильтра часто демонстрируется на уроках физики с помощью различных демонстраций. Фильтры используются для просмотра и просмотра объектов. Фильтр не искажает форму и размеры объекта; он просто служит для создания более тусклого изображения объекта, поскольку половина света блокируется при прохождении через фильтр. Пара фильтров часто ставится спина к спине, чтобы просматривать объекты, просматриваемые через два фильтра. Медленно вращая второй фильтр, можно найти ориентацию, при которой весь свет от объекта блокируется, и объект больше не виден при просмотре через два фильтра. Что случилось? В этой демонстрации свет поляризовался при прохождении через первый фильтр; возможно, только вертикальные колебания могли пройти. Затем эти вертикальные колебания блокировались вторым фильтром, поскольку его поляризационный фильтр ориентирован в горизонтальном направлении. Хотя вы не можете видеть оси на фильтре, вы будете знать, когда оси выровнены перпендикулярно друг другу, потому что при такой ориентации блокируется весь свет. Таким образом, используя два фильтра, можно полностью блокировать весь свет, падающий на телевизор; это произойдет только в том случае, если оси поляризации повернуты так, что они перпендикулярны друг другу.

Аналогия часто используется, чтобы объяснить, как работает эта демонстрация двойного фильтра. Штакетник может действовать как поляризатор, преобразовывая неполяризованную волну в веревке в волну, колеблющуюся в одной плоскости. Промежутки между штакетниками ограждения позволяют проходить вибрациям, параллельным промежуткам, и блокируют любые вибрации, перпендикулярные промежуткам. Очевидно, что вертикальной вибрации не хватило бы места, чтобы пройти через горизонтальное расстояние. Если два штакетника ориентированы так, что оба штакетника выровнены по вертикали, то вертикальные колебания будут проходить через оба забора. С другой стороны, если штакетники второго забора выровнены по горизонтали, то вертикальные колебания, проходящие через первый забор, будут блокироваться вторым забором. Это изображено на диаграмме ниже.

Таким же образом, два фильтра Polaroid, ориентированные так, чтобы их оси поляризации были перпендикулярны друг другу, блокируют весь свет. Это довольно крутое наблюдение, которое никогда нельзя было бы объяснить с точки зрения частиц света.

 

Поляризация при отражении

Неполяризованный свет также может подвергаться поляризации при отражении от неметаллических поверхностей. Степень поляризации зависит от угла, под которым свет приближается к поверхности, и от материала, из которого сделана поверхность. Металлические поверхности отражают свет с различными направлениями колебаний; такой отраженный свет неполяризован. Однако неметаллические поверхности, такие как асфальтированные дороги, снежные поля и вода, отражают свет таким образом, что в плоскости, параллельной отражающей поверхности, возникает большая концентрация вибраций. Человек, рассматривающий объекты с помощью света, отраженного от неметаллических поверхностей, часто воспринимает блик, если степень поляризации велика. Рыбаки знакомы с этим бликом, поскольку он мешает им видеть рыбу, лежащую под водой. Свет, отраженный от озера, частично поляризован в направлении, параллельном поверхности воды. Рыбаки знают, что использование солнцезащитных очков, уменьшающих блики, с правильной осью поляризации позволяет блокировать этот частично поляризованный свет. Блокируя плоскополяризованный свет, уменьшаются блики, и рыбак может легче видеть рыбу, находящуюся под водой.

 

 

Поляризация преломлением

Поляризация также может возникать при преломлении света. Преломление происходит, когда луч света переходит из одного материала в другой материал. На поверхности двух материалов путь луча меняет свое направление. Преломленный луч приобретает некоторую степень поляризации. Чаще всего поляризация возникает в плоскости, перпендикулярной поверхности. Поляризация преломленного света часто демонстрируется на уроках физики с использованием уникального кристалла, который служит кристаллом с двойным преломлением. Исландский шпат, довольно редкая форма минерального кальцита, преломляет падающий свет двумя разными путями. Свет разделил на два луча при входе в кристалл. Впоследствии, если рассматривать объект через кристалл исландского шпата, будут видны два изображения. Два изображения являются результатом двойного преломления света. Оба преломленных световых луча поляризованы — один в направлении, параллельном поверхности, а другой — в направлении, перпендикулярном поверхности. Поскольку эти два преломленных луча поляризованы с перпендикулярной ориентацией, можно использовать поляризационный фильтр, чтобы полностью заблокировать одно из изображений. Если ось поляризации фильтра выровнена перпендикулярно плоскости поляризованного света, свет полностью блокируется фильтром; тем временем второе изображение настолько яркое, насколько это возможно. А если фильтр то повернут на 90 градусов в любом направлении, второе изображение появляется снова, а первое изображение исчезает. Это довольно точное наблюдение, которое никогда нельзя было бы наблюдать, если бы свет не вел себя волнообразно.

Смотри!

В приведенной ниже демонстрации слово PHUN (как в физике …) написано на стеклянной панели диапроектора в стиле классной комнаты. Образец исландского шпата размещен над словом PHUN. В первые секунды фильма можно смутно увидеть два изображения слова PHUN. Кристалл дважды преломляет свет, проходящий через него. Примерно на 8-й секунде над кристаллом помещается полароидный фильтр и вращается. При вращении два изображения попеременно появляются и исчезают. Свет, проходящий через кристалл, становится поляризованным, и когда фильтр Polaroid вращается, он блокирует и пропускает два световых пути попеременно. В результате два изображения PHUN можно увидеть по одному. Довольно крутая штука!

 

 

Поляризация при рассеянии

Поляризация также возникает, когда свет рассеивается при прохождении через среду. Когда свет попадает на атомы материала, он часто приводит в колебание электроны этих атомов. Затем колеблющиеся электроны производят свою собственную электромагнитную волну, которая излучается наружу во всех направлениях. Эта вновь генерируемая волна ударяет по соседним атомам, заставляя их электроны колебаться с той же исходной частотой. Эти вибрирующие электроны производят другую электромагнитную волну, которая снова излучается наружу во всех направлениях. Это поглощение и переизлучение световых волн приводит к тому, что свет рассеивается в среде. (Этот процесс рассеяния способствует голубизне нашего неба, эта тема будет обсуждаться позже.) Этот рассеянный свет частично поляризован. Поляризация за счет рассеяния наблюдается при прохождении света через нашу атмосферу. Рассеянный свет часто создает блики на небе. Фотографы знают, что эта частичная поляризация рассеянного света приводит к фотографиям, характеризующимся размытое небо. Проблему легко решить с помощью полароидного фильтра. При вращении фильтра частично поляризованный свет блокируется, а блики уменьшаются. Фотографический секрет запечатления яркого голубого неба на фоне красивого переднего плана заключается в физике поляризации и полароидных фильтрах.

Применение поляризации

Поляризация имеет множество других применений, помимо использования в солнцезащитных очках, уменьшающих блики. В промышленности фильтры Polaroid используются для проведения испытаний на прочность прозрачных пластиков. Когда свет проходит через пластик, каждый цвет видимого света поляризуется со своей собственной ориентацией. Если такой пластик поместить между двумя поляризационными пластинами, то выявляется красочный рисунок. Когда верхняя пластина поворачивается, цветовой узор меняется, поскольку блокируются новые цвета и передаются ранее заблокированные цвета. Обычная демонстрация физики включает в себя размещение пластикового транспортира между двумя полароидными пластинами и размещение их поверх диапроектора. Известно, что структурное напряжение в пластике проявляется в местах большого скопления окрашенных полос. Это место напряжения обычно является местом, где наиболее вероятно разрушение конструкции. Возможно, вы хотите, чтобы пластиковый футляр компакт-диска, который вы недавно приобрели, был подвергнут более тщательному анализу напряжений.

Поляризация также используется в индустрии развлечений для производства и показа 3D-фильмов. Трехмерные фильмы на самом деле представляют собой два фильма, которые демонстрируются одновременно через два проектора. Два фильма сняты с двух немного разных мест камеры. Затем каждый отдельный фильм проецируется с разных сторон аудитории на металлический экран. Фильмы проецируются через поляризационный фильтр. Поляризационный фильтр, используемый для проектора слева, может иметь ось поляризации, выровненную по горизонтали, в то время как поляризационный фильтр, используемый для проектора справа, может иметь ось поляризации, выровненную по вертикали. Следовательно, на экран проецируются два немного разных фильма. Каждый фильм отбрасывается светом, поляризованным с ориентацией, перпендикулярной другому фильму. Затем зрители надевают очки с двумя фильтрами Polaroid. У каждого фильтра своя ось поляризации — одна горизонтальная, а другая вертикальная. Результатом такого расположения проекторов и фильтров является то, что левый глаз видит фильм, проецируемый правым проектором, а правый глаз видит фильм, проецируемый левым проектором. Это дает зрителю ощущение глубины.

 

Наша модель поляризации света существенно поддерживает волнообразную природу света. Было бы чрезвычайно трудно объяснить явление поляризации с точки зрения частиц света. Поляризация будет происходить только с поперечной волной. По этой причине поляризация — еще одна причина, по которой ученые считают, что свет ведет себя как волна.

 

Смотри!

Рисунок воздушного шара был нарисован на стеклянной пластине. Затем к рисунку была добавлена ​​целлофановая лента, так что каждый «сектор» воздушного шара состоял из ленты, выровненной в направлении, совершенно отличном от направления соседних «секторов». Коньковым ножом аккуратно удалили нахлест ленты с одного сектора на соседние. Целлофановая лента способна поворачивать ось поляризации длин волн (то есть цвета) поляризованного света на разную величину.

В демонстрации полароидный фильтр помещается на стеклянную панель диапроектора классного типа. Свет, проходящий через фильтр, становится поляризованным. Различные секторы заклеенного стекла будут вращать оси поляризации света разной длины волны на разную величину. Второй фильтр затем помещается поверх стекла с лентой. Этот второй фильтр позволяет проходить длинам волн (то есть цветам) света, ось поляризации которого совпадает с осью передачи фильтра; другие длины волн заблокированы. Таким образом, разные сектора отображаются разными цветами при просмотре через оба фильтра.

 

Проверьте свое понимание

1. Предположим, что свет проходит через два полароидных фильтра, оси поляризации которых параллельны друг другу. Каков будет результат?

 

 

 

2. Свет становится частично поляризованным при отражении от неметаллических поверхностей, таких как стекло, вода или дорожное покрытие. Поляризованный свет состоит из волн, колеблющихся в плоскости, которая ____________ (параллельно, перпендикулярно) отражающей поверхности.

 

 

 

3. Рассмотрим три пары солнцезащитных очков ниже. Определить, способны ли очки устранить блики, возникающие в результате отражения солнечного света от спокойных вод озера? _________ Объяснять. (Оси поляризации показаны прямыми линиями.)

 

 

 

Перейти к следующему уроку:

домашнее задание и упражнения — О частично поляризованном свете и степени поляризации

Представляется, что определение степени поляризации может быть не столь точным, если $V=\frac{I_{max}-I_{min}}{I_{max}+I_{min}}$. Для эллиптический поляризованный свет, естественной поляризованной части нет, но по-прежнему $V\neq 0$.

Это определение используется в измерениях. Эллиптически поляризованный свет может быть полностью поляризованным, т.е. $V=1$ (теоретически). Мне действительно не нравится, что Hecht использует V здесь, так как это также используется для 92}}{s_0}$$

Частичная поляризация является статистической величиной, это результат усреднения ансамбля по некоторой области проекции освещенности через элементы поляризации. Это означает, что это действительно явление когерентности (т. е. интерференции).

Мне было трудно работать с частично поляризованным светом. Сначала определение. Каково определение частично поляризованного света? Свет с $0

Это потому, что для детерминированного идеала, математической точки в пространстве-времени, не существует частичной поляризации. Частичная поляризация — это статистическое среднее время области времени, пространства или пространства-времени. Да, из этого определения следует, что $0

— среднее по времени, а $\delta$ — разность фаз между $E_x$ и $E_y$.

Источники открытого доступа не подходят для этого объяснения, но эта статья может помочь.

Весь частично поляризованный свет может быть представлен суперпозицией плоскополяризованного света и естественного света? Я полагаю, это правда но почему? Есть какое-то формальное объяснение?

Не суперпозиция естественного света и поляризованного света, а суперпозиция чисто поляризованный свет и полностью деполяризованный свет . Понятно, почему если посмотреть на определение $\mathscr{P}$, если $\mathscr{P} = 0$, то свет полностью деполяризован и $s_1 = s_2 = s_3 = 0$.

Затем

$$\mathbf{s} = (1-\mathscr{P})\begin{pmatrix}s_0 \\ 0 \\ 0 \\ 0\end{pmatrix} + \mathscr{P}\begin {pmatrix}s_0 \\ s_1 \\ s_2 \\ s_3\end{pmatrix}$$

Если предположить линейность параметров Стокса, (что следует из линейности оптических полей в большинстве диэлектриков, воздуха и т.