Естественный и поляризованный свет - Лекции по Оптике.

Поляризованным называется свет, в котором направления колебаний светового вектора упорядочены каким-либо образом.

В естественном свете колебания различных направлений быстро и беспорядочно сменяют друг друга.

Рассмотрим два взаимно перпендикулярных электрических колебания, совершающихся вдоль осей х и у,  и отличающихся по фазе на d:

Результирующая напряженность ,

угол между векторами  и определяется выражением

Если разность фаз d  претерпевает случайные  хаотические изменения, то угол j, а значит, и направление вектора , будет испытывать скачкообразные неупорядоченные изменения. В этом случае естественный свет можно представить как наложение двух некогерентных электромагнитных волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющих одинаковую интенсивность.

• Будем считать световые волны когерентными, и d=0 или d=p.

Тогда  и результирующее колебание совершается в фиксированном направлении – волна оказывается плоскополяризованной.

• Если   и , тогда  - плоскость колебаний поворачивается вокруг направления луча с угловой скоростью, равной частоте колебаний w. Свет оказывается поляризованным по кругу.
• В случае произвольного значения d свет оказывается эллиптически поляризованным, конец вектора  движется по эллипсу.

В зависимости от направления вращения вектора  различают:

• правую и левую эллиптическую
• круговую поляризацию. Если по отношению к направлению, противоположному направлению распространения луча, вектор  вращается по часовой стрелке, поляризация называется правой, в противном случае – левой.

Плоскость, в которой колеблется световой вектор в плоскополяризованной волне, называют плоскостью колебаний.

 Перпендикулярная к ней плоскость называется плоскостью поляризации.

Плоскополяризованный свет  можно получить из естественного с помощью поляризаторов. Это приборы, которые свободно пропускают колебания, параллельные плоскости поляризатора, и полностью или частично задерживают колебания, перпендикулярные его плоскости.

Поляризатор, частично задерживающий перпендикулярные к его плоскости колебания, называют несовершенным. При выходе из такого поляризатора колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений в световой волне. Такой свет называют частично поляризованным.

Если частично поляризованный свет пропустить через поляризатор и поворачивать прибор вокруг луча на угол , интенсивность прошедшего света будет меняться от  до .

Степень поляризации света  

Для плоскополяризованного света ,

для естественного света

рис.3.4.1. Колебания амплитуды А, совершающиеся в плоскости, образующей с плоскостью поляризатора угол j, можно разложить на два колебания с амплитудами   и .

 Первое колебание пройдет через прибор, второе будет задержано.

Интенсивность прошедшей волны пропорциональна , т.е. равна , колебание, параллельное плоскости поляризатора, несет долю интенсивности .

В естественном свете все значения  j равновероятны, поэтому доля света, прошедшего через поляризатор, равна среднему значению , т.е.1/2.

 При вращении поляризатора вокруг направления естественного луча интенсивность прошедшего света остается одной и той же, изменяется лишь ориентация плоскости колебаний света, выходящего из прибора.

рис.3.4.2 Пусть на поляризатор падает плоскополяризованный свет амплитуды  и интенсивности .

 Сквозь прибор пройдет составляющая колебания с амплитудой

,

где j  - угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризатора.

Тогда интенсивность прошедшего света

-  закон Малюса.

Если на пути луча поставить два поляризатора, плоскости которых образуют угол j,  то

• из первого поляризатора выйдет плоскополяризованный свет с интенсивностью

,

где  - интенсивность естественного света,

• а из второго поляризатора выйдет свет с интенсивностью

,

• и интенсивность света, прошедшего через оба поляризатора, равна

Максимальная интенсивность  получается при  (поляризаторы параллельны),

минимальная интенсивность равна нулю при  - скрещенные поляризаторы не пропускают.

рис.3.4.3 Если на поляризатор падает эллиптически поляризованный свет, поляризатор пропускает составляющую  вектора . Максимальное значение этой составляющей достигается в точках 1 и 2, и амплитуда вышедшего из прибора плоскополяризованного света равна длине отрезка 01′.

 При вращении поляризатора вокруг направления луча интенсивность меняется в пределах :

• от ( при совпадении плоскости поляризатора с большой полуосью эллипса)
• до ( при совпадении плоскости поляризатора с малой полуосью эллипса). Такой же характер изменения интенсивности при вращении поляризатора получается и в случае частично поляризованного света.