Поляризация света при отражении и преломлениина границе раздела двух диэлектрических сред. Закон Брюстера.  

Действие поляризаторов может быть основано на поляризации света при отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектриков.

Оптически изотропная среда (т.е. среда, имеющая одинаковые оптические свойства во всех направлениях) представляет собой систему электрических зарядов – ионов и электронов, способных совершать вынужденные колебания под действием электромагнитных волн. Частота колебаний, соответствующая диапазону частот видимого света очень большая (порядка 1015 Гц). Поэтому только заряженные частицы очень маленькой массы могут следовать за изменением поля световой волны. Такими частицами являются электроны. Атомы и их ядра не могут следовать за изменением этого поля в силу их большой инертной массы. При этом предполагается, что в веществе электроны связаны квазиупругими силами, т.е. являются колебательными системами, характеризующимися частотой собственных колебаний.

Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является колеблющийся электрический диполь (рис. 4.4 а). Под действием электромагнитной волны электроны вещества совершают вынужденные колебания, излучая вторичные электромагнитные волны той же частоты, что и частота падающего света. Если волна распространяется в изотропной среде, то волновой фронт будет сферическим (рис. 4.4 б). При этом интенсивность вторичных волн зависит от угла θ и поэтому различна в разных направлениях. Зависимость интенсивности от угла наглядно показано на диаграмме направленности диполя (рис. 4.4 в). На рис. 4.4.в видно, что в направлении линии АА' (оси осциллятора) происходит колебания электрона, поэтому интенсивность излучения в этом направлении отсутствует. Интенсивность излучения будет максимальна в направлении оси Х, перпендикулярном линии АА'.

Взаимодействие электронной оболочки атомов с электромагнитным полем световой волны приводит к их возбуждению. Возбужденные атомы, приходя в нормальное (невозбужденное) состояние, излучают вторичные электромагнитные волны. Поскольку среднее расстояние между атомами в жидкостях и твердых телах мало по сравнению с длиной цуга волн (около 3м), то электронные оболочки большого числа атомов возбуждаются одним цугом волн. Поэтому вторичные волны оказываются когерентными как между собой, так и падающей световой волной. Эти волны взаимно интерферируют. Их интерференцией объясняются явления отражения и преломления света в веществе.

При падении естественного света на границу раздела двух диэлектриков (например, из воздух на стекло) часть его отражается, а часть преломляется (рис. 4.5). Отраженный и преломленный свет оказываются частично поляризоваными. В отраженном свете преобладают волны, у которых световой вектор Е колеблется в плоскости, перпендикулярной плоскости падения (на рис. 4.5 колебания вектора Е изображены точками), а в преломленном свете – в плоскости падения (на рис. 4.5 колебания вектора Е изображены стрелками).

Степень поляризации как отраженного, так и преломленного света зависит от угла падения лучей и показателей преломления сред. Шотландский физик Дэвид Брюстер исследуя поляризацию света, установил (1815 г.) связь между относительным показателем преломления диэлектрика и углом падения света, при котором отраженный от поверхности свет полностью поляризован. Согласно закону Брюстера при угле падения iБ (угол Брюстера), определяемого соотношением

tg iБ = n21

отраженный луч будет полностью плоскополяризован а преломленный луч – частично с максимальной степенью поляризации (рис. 4.6). Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (это условие вытекает из закона Брюстера).

Степень поляризации преломленного света можно значительно повысить, пропуская свет через устройство, называемое стопой Столетова (рис. 4.7). Стопа Столетова представляет собой совокупность одинаковых параллельных друг другу пластинок из прозрачного диэлектрика (например, стекла). При многократном отражении и преломлении на каждой границе степень поляризации вырастает и на выходе из стопы свет становится полностью поляризованным.

Закон Брюстера можно пояснить, основываясь на диаграмме направленности излучения электрического диполя (осциллятора). Представим падающий естественный свет как результат сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний (рис. 4.8). Один световой вектор (обозначим его Е||) будет колебаться в плоскости падения (на рис. 4.8 вектор Е|| показан стрелками), а другой (обозначим его Е^) будет колебаться в плоскости, перпендикулярной плоскости падения (на рис. 4.8 вектор Е^ показан точками).

При прохождении света через вещество под действием вектора Е|| электроны вещества будут совершать вынужденные колебания в плоскости падения (эти осцилляторы, оси которых лежат в плоскости падения, на преломленном луче обозначены стрелками), излучая при этом вторичные сферические волны в плоскости падения. Интенсивность таких волн будет максимальна в перпендикулярном направлении (это показано диаграммой направленности диполя на преломленном луче). Световому вектору Е^ будут соответствовать осцилляторы, оси которых лежат в перпендикулярной плоскости (на преломленном луче они обозначены точками). В направлении колебаний электронов излучения вторичных волн не происходит. При угле падения i = iБ отраженный луч перпендикулярен преломленному лучу и, следовательно, параллелен осцилляторам, оси которых расположены в плоскости падения. Данные осцилляторы не излучают в направлении отраженного луча и вклад в отраженную волну не дают. Отсюда следует, что в отраженном луче будет присутствовать только колебания Е^ и отраженный луч будет полностью поляризован.

Эффект поляризации отраженного света используется, например, для обнаружения с воздуха пленок нефти на поверхности моря.