Изучение явления поляризации

Пусть электромагнитная волна (свет) распространяется вдоль координатной оси z (рис.1). В силу поперечности электромагнитной волны, напряженность электрического поля (вектор Е) колеблется в плоскости х, у. Если ориентация вектора Ε меняется хаотично, свет называют неполяризованнымили естественным.Если ориентация вектора Ε изменяется упорядоченно, свет называют поляризованным.Промежуточный случай - частично поляризованный свет.

Рис.1

Различают следующие виды поляризации.

Линейнаяили плоская поляризация:в заданной точке пространства конец вектора Ε движется по прямой линии, перпендикулярной направлению распространения света. Если изобразить "мгновенную фотографию" векторов Е, начинающихся на одном луче (ось z на рис.1), то все эти векторы окажутся в одной плоскости, называемой плоскостью поляризациисвета.

Эллиптическая поляризация(в частном случае круговая): конец вектора Ε движется по эллипсу (в частности - по окружности). Линейную поляризацию также можно считать частным случаем эллиптической поляризации. Волну с эллиптической поляризацией можно представить как суперпозицию двух волн с линейными поляризациями (рис.1)

Рис.2 Рис.3

В зависимости от соотношения амплитуд Е_тх, Е_ту и от разности фаз δ колебаний компонент Е_х и E_у получаются различные виды поляризации.

Линейная:Е_х = 0 или Е_у =0 или δ = πm.

Эллиптическая:Е_х ≠ 0; Е_у ≠ 0; δ ≠ πm.

Круговая:амплитуды колебаний Е_х и Е_у одинаковы, E_mx = E_my , δ = ±π/2.

Неполяризованный свет:амплитуды Е_тх и Е_ту одинаковы, при этом δ хаотически изменяется в широких пределах, т.е. колебания Е_х и Е_у некогерентны. В этом случае все направления в плоскости х,у эквивалентны.

Если Е_тх ≠ Е_ту и колебания Е_х и Е_у некогерентны, получаем свет с частичной поляризацией, который можно представить как суперпозицию поляризованного света с интенсивностью I_пол и естественного света с интенсивностью I_ест (рис.3):

I = I_пол + I_ест. (1)

Степенью поляризацииΡ частично поляризованного света называется доля поляризованного света в полной интенсивности излучения:

Ρ = I_пол /I. (2)

Для поляризованного излучения Р = 1, для естественного света Р = 0. Измерять Ρ можно с помощью пары поляризаторов: поляризатора и анализатора.

Лампы накаливания, люминесцентные излучатели, газоразрядные и многие другие источники света дают неполяризованный (естественный) свет. Свет с линейной поляризацией дают некоторые типы лазеров. Используя различные оптические явления и (или) анизотропные материалы (кристаллы) можно из естественного света получить свет с желаемой поляризацией.

Поляризатор- прибор, пропускающий излучение с определенным направлением колебаний вектора Ε (это направление называют плоскостью поляризатора) и задерживающий излучение с другими направлениями колебаний. Если на поляризатор падает линейно поляризованный свет с вектором напряженности Е,и плоскость поляризации света составляет угол αс плоскостью поляризатора, то в волне, прошедшей через идеальный поляризатор,останется только компонента Ε₁ , параллельная плоскости поляризатора (рис.4):

Ε₁ = Ε×cosα ; Е₂ = 0.

Рис.4.

I.

Поскольку интенсивность пропорциональна среднему квадрату напряженности, то для интенсивности линейно поляризованного света, прошедшего через идеальный поляризатор, получаем соотношение, называемое законом Малюса:

I₁ = I × cos²α. (3)

При падении на поляризатор естественного света, в прошедшей волне останется одна из компонент колебаний, параллельная плоскости поляризатора, т.е. естественный свет превращается в линейно поляризованный. Интенсивности, соответствующие ортогональным колебаниям, в естественном свете одинаковы, и каждая из них равна половине общей интенсивности I_ест. После поляризатора имеем волну с интенсивностью одной из ортогональных компонент:

I_прοш ⁼ I_ест/2.· (4)

При падении на поляризатор частично поляризованного света интенсивность прошедшего света зависит от ориентации поляризатора более сложно. Обращаясь к рис.3 и учитывая (3) и (4), найдем:

При α=0 интенсивность максимальна, при α=π/2 - минимальна:

I_max = I_пол + I_ест / 2.

Поворачивая идеальный поляризатор вокруг оси z и измеряя интенсивность прошедшего света, можно найти степень поляризации падающего света:

P= (I_max-I_min)/(I_max+I_min) (5)

Неидеальный поляризатор имеет коэффициент пропускания к₁<1 для колебаний, параллельных плоскости поляризатора, и коэффициент пропускания к₂<к₁ для колебаний, перпендикулярных ей. Естественный свет по прохождении через такой поляризатор становится частично поляризованным со степенью поляризации

Ρ = (к₁-к₂)/(к₁+к₂). (6)

Анализатор - так часто называют поляризатор, используемый для анализа поляризации излучения.