Ряд загадочных оптических эффектов, которые наблюдались в середине XVII столетия, ученые смогли объяснить, когда естественный свет начал изучаться, как волновой феномен и были найдены основные направления его колебаний.
Степень поляризованности любого луча отраженного света непосредственно зависит от:
- вещества, которое преломляет свет;
- угла падения лучей, называемый углом полной поляризации;
- поверхности, на которой происходит данный процесс.
Таким образом, полная поляризация естественного света при отражении от диэлектрика может наблюдаться, когда угол между отраженным вектором и преломленным лучом равен 90°.
Поляризация естественного света - явление, в котором все направления колебаний светового луча упорядочены определенным образом.
Изучаемый эффект не может происходить на поверхности металлов, как бы хорошо она ни была ранее отполирована. Покрытые металлическим слоем зеркала всегда отражают естественный свет, однако не поляризуют его. Причина состоит в том, что все металлические элементы сильно поглощают свет.
Волны бывают двух видов: поперечные и продольные. Хорошим примером может служить прохождение звука в воздухе. Поперечные волны включают в себя возмущения, которые находятся только под углом 90° к направлению центрального перемещения. Так, например, волна, проходя горизонтально через массу воды, вызывает в итоге вертикальные колебания на ее поверхности.
Открытие явления
Первый так называемый эффект поляризации естественного света был открыт датским врачом Эразмом Бартолином в апреле 1669 года. Исследователь в течение длительного периода времени изучал явление двойной рефракции в кальците или исландском шпате. Когда свет проходит через указанные вещества, кристалл постепенно расщеплял его, производя два ярких изображения, смещенные друг относительно друга.
Ньютон также знал об этом физическом явлении и предположил, что, вероятно, корпускулы светового вектор обладают определенной асимметрией или «односторонностью», которая и является причиной возникновения двух картинок. Гюйгенс, коллега Ньютона, смог более точно объяснить двойное преломление своей гипотезой элементарных волн, но так и не понял истинного смысла данного эффекта.
Двойное лучепреломление оставалось еще много лет загадкой, пока Томас Юнг и французский физик Огюстен-Жан Френель в 1842 году не предположили, что световые волны могут быть только поперечными. Простая идея позволила описать, что такое естественный свет. Это обеспечило не осложненную базу для дальнейшего анализа поляризационных процессов.
Двойное лучепреломление вызвано конкретной комбинацией двух перпендикулярных поляризаций, каждая из которых оснащена собственной скоростью волны.
Из-за приличной разницы в скорости две составляющие обладают различными параметрами преломления, и поэтому они совершенно по-разному преломляются через металл, формируя два изображения.
Направления поляризации
В описании и реализации ориентации электромагнитного поля волны света ученые обычно указывают только направление электрического поля, так как вектор магнитного элемента определяется наличием перпендикулярности лучей по отношению к направлению движения. Линейный и естественно поляризованный свет отличается тем, что в последнем все поля осциллируют исключительно в фиксированные стороны по мере постепенного перемещения волны. Возможны и другие состояния эффекта поляризации. В случае круговой оси магнитного и электрического полей постоянно вращаются относительно направления распределения с хаотичной амплитудой. Эллиптически поляризованный свет расположен в промежуточном положении между круговой и линейной поляризациями.
Рассмотрим основные виды поляризации естественного света, которые встречаются чаще всего:
- Поляризация естественного света при преломлении происходит при падении света на гладкую не искаженную поверхность, которая разграничивает две прозрачные среды. В результате часть его отражается, а часть, оказавшаяся под преломлением, идет далее внутрь второй среды. Преломленные лучи естественного света также оказываются частично поляризованными.
- Поляризация света при рассеянии осуществляется сквозь атмосферу, где лучи солнечного света встречают на пути атомы и молекулы газов, а также другие всевозможные мелкие частицы, размеры которых значительно меньше длины световой волны. Происходящее рассеяние светового вектора в атмосфере всегда сопровождается его частичной поляризацией. В атмосфере уровень этого явления происходит под углом 90° к лучу солнца и составляет примерно 85% от всего количества рассеянного в данном направлении света.
- Поляризация естественного света при двойном лучепреломлении в кристаллах. Большинство прозрачных веществ представляет собой некую анизотропную среду, оптические свойства которой непосредственно зависят от изначального направления распространения световой волны. Такой эффект обусловлен структурой кристаллической решетки. Только кристаллы элементарной формы – кубической, в которых межатомные промежутки одинаковы по всем трем основным осям, считаются изотропными, поэтому проходит через них без видимых изменений.
В конце 1808 года исследователь Этьен-Луи Малюс предположил, что отраженный от неметаллических поверхностей свет частично поляризуется. Степень этого явления зависит от угла падения и параметра преломления самого отражающего материала. В одном из крайних случаев, когда тангенс угла падения естественного луча в воздухе равен величине преломления центрального элемента, отраженный свет становится линейно поляризованным.
Такой эффект известен в физике как закон Брюстера. Направление поляризации естественного света всегда параллельно отражающей поверхности. Так как дневные блики, как правило, формируются в результате отражения от горизонтальных поверхностей, таких как вода и дороги, в солнечных очках зачастую используются специальные фильтры, чтобы убрать горизонтально поляризованный свет и выборочно избавиться от отблесков света.
Источники поляризации естественного света
Поляризованный естественный свет наблюдается в случаях, когда точно определена пространственная и временная ориентация. Одним из ярких примеров является синхротронное постоянное излучение, при котором все высокоэнергичные положительно заряженные элементы движутся в магнитном поле и автоматически излучают электромагнитные поляризованные волны.
Существует много астрономических источников, которые излучают естественно поляризованный свет. Среди них можно выделить: остатки сверхновых звезд, туманность и галактические активные ядра. Поляризация космического преломления исследуется для того, чтобы установить главные свойства его источников.
Естественный свет разделяется при прохождении через ряд определенных материалов, наиболее популярным из которых на сегодняшний день считается поляроид, разработанный американским исследователем Эдвином Лэндом. Фильтр включает ряд длинных цепочек молекул углеводородов, движущихся в одном направлении посредством процесса термической обработки.
Молекулы избирательно и постепенно поглощают излучение, которое действует параллельно их ориентации.
Выходящий из поляроида свет при этом линейно поляризован. Его электромагнитные элементы находятся перпендикулярно движению ориентации молекул. Поляроид уже нашел широкое применение во многих областях, включая светофильтры и солнцезащитные очки, снижающие эффект отраженного естественного и рассеянного света.
