Естественный свет
Естественным светом называют совокупность световых волн различными направлениями колебания светового вектора, данные колебания быстро и хаотично меняют друг друга. Данная сума волн статистически симметрична относительно нормали к волновому фронту.
Линейно- (плоско-) поляризованный свет - совокупность волн с единственным направлением колебания светового вектора. Направление колебаний векторов волны в данном случае является упорядоченным. К более сложным видам упорядоченного колебательного движения относят эллиптическую и круговую поляризацию. В таких вариантах поляризации конец вектора электрической (магнитной) напряженности описывает круг или эллипс.
Частично поляризованным светом называют свет, в котором одно из направлений колебаний является преимущественным, но не единственным. Волновая нормаль при этом не является прямой, относительно которой направления колебаний векторов поля ($\overrightarrow{E},\overrightarrow{H}$) являются статистически равно вероятными в плоскости, которая перпендикулярна к этой прямой. Частично поляризованный свет часто рассматривают как смесь естественного и поляризованного света. Естественный свет, который прошел сквозь неидеальный поляризатор нельзя считать полностью поляризованным. Частично поляризованные волны в действительности появляются также как результат распространения в веществе, которое содержит неоднородные включения, то есть рассеивающие свет.
Максимальное количество источников света испускают естественный свет, однако следы поляризации присутствуют, данный факт объясняется излучением глубоких слоев вещества.
Полагают, что свет, который испускает отдельный атом, сохраняет характер поляризации без изменений в течение длительного времени ($\sim {10}^{-8}с$) (если сравнивать с периодом колебаний).
В макромире наблюдается результат излучения большого количества атомов, которые испускают свет разного типа поляризации. За время, которое тратит свет, распространяясь до наблюдателя, он претерпевает целую совокупность воздействий, которые вносят некоторую незаметную поляризацию. Лишь при определенных условиях наблюдения часть поляризованного света может существенно возрасти.
Способы и приборы, применимые для создания поляризованного света
Так, поляризованный свет появляется: при отражении света, его преломлении, дифракции, рефракции, люминесценции, формировании излучения лазеров.
Оптическими устройствами, которые служат для получения поляризованного света, могут быть: призмы, кристаллы, дифракционные решетки, люминесцирующие вещества, поляризованные пленки, лазеры. Устройства (приборы) при использовании которых получают поляризованный свет, называют поляризаторами (поляроидами, анализаторами, модуляторами).
Раздел оптики, в котором изучают проблемы получения, преобразования и использования на практике поляризованного света, называют полярометрией.
Двойное лучепреломление -- метод получения поляризованного света
Исландский шпат - лучший материал для изучения и демонстрации явления поляризации света при двойном лучепреломлении, не смотря на то, что известно много естественных и искусственных кристаллов с аналогичными свойствами.
Кристалл исландского шпата выкалывается в форме ромбоэдра, причем его ромбы (грани) имеют углы $101{}^\circ 52'$ и $78{}^\circ 08'$. В случае падения на подобное тело узкого пучка света, данный пучок преломляется и производит два пучка, с немного отличающимися направлениями. В том случае, если мы имеем дело с узким пуком света, и толстым кристаллом, то на выходе из вещества получают два пучка, которые параллельны первоначальному пучку.
В случае нормального падения первичного пучка света на грань кристалла шпата преломленный пучок делится на два, причем один из них становится продолжением входящего пучка, а другой отклоняется, то есть угол преломления не равен нулю (рис.1). Луч, который отклоняется, называют необыкновенным. Отличия в отклонении лучей говорят о том, что кристалл имеет разные показатели преломления для данных лучей. Исследования показали, что в кристалле шпата обыкновенный луч имеет показатель преломления одинаковый для всех направлений. Тогда как показатель преломления необыкновенного луча зависит от направления распространения света.
Рисунок 1.
Выделенное направление в кристалле исландского шпата, в котором луч не раздваивается, называют оптической осью кристалла. Это направление составляет определенные углы с ребрами естественного кристалла. Если мы имеем дело с кристаллом в виде ромбоэдра, то оптическая ось параллельна диагонали, которая соединяет углы тела. Оптическая ось в таком кристалле -- это определенное направление, а не избранная линия. Плоскость, которая проходит через оптическую ось и нормаль распространяющихся волн называют плоскостью главного сечения (главной плоскостью).
Пусть пучок света падает перпендикулярно на естественную грань кристалла шпата. Главную плоскость проведем через падающий луч. При этом внутри кристалла идут два луча (обыкновенный и необыкновенный). Необыкновенный луч отклонен и лежит вместе с первым в главной плоскости. Из кристалла выйдут два луча, параллельных падающему лучу и находящихся в главной плоскости, но смещенных по отношению друг к другу. Если кристалл вращать вокруг направления падающего луча, то один преломленный луч будет неподвижен, другой обходит вокруг первого.
При исследовании данных лучей с помощью турмалина (стеклянного зеркала) выясняется, что они оба поляризованы, но в перпендикулярных плоскостях. Колебания вектора $\overrightarrow{D}$ обыкновенной волны идет нормально к главной плоскости, а необыкновенной в главной плоскости. При этом интенсивности преломленных лучей одинаковы, если на кристалл падает естественный свет. Надо отметить, что направление поляризации зависит только от ориентации кристалла и не зависит от того поляризован ли падающий свет.
Задание: Каков угол между плоскостями поляризатора и анализатора ($\alpha $), если естественный свет проходит последовательно через них. Поляризатор и анализатор поглощают и отражают 10\% падающего света ($k_1=k_2=0,1$). При этом интенсивность света вышедшего из анализатора составляет 12\% интенсивности света падающего на поляризатор.
Решение:
Интенсивность света, после его прохождения сквозь поляризатор можно найти как
\[I_1=\frac{1}{2}I_0\left(1-\left(k_1+k_2\right)\right)(1.1),\]где $\left(k_1+k_2\right)$- относительная потеря интенсивности света в поляризаторе, $I_0$ -- интенсивность естественного света, падающего на поляризатор. Свет по выходу из поляризатора становится поляризованным. Интенсивность света после прохождения анализатора можно найти в соответствии с формулой:
\[I_2=I_1\left(1-\left(k_1+k_2\right)\right)c{os}^2\alpha \ \left(1.2\right).\]Подставив выражение (1.1) в правую часть формулы (1.2), получим:
\[I_2=\frac{1}{2}I_0\left(1-\left(k_1+k_2\right)\right)\left(1-\left(k_1+k_2\right)\right)=\ \frac{1}{2}I_0{\left(1-\left(k_1+k_2\right)\right)}^2c{os}^2\alpha \left(1.3\right).\]Из выражения (1.3) получим $cos\alpha :$
\[cos\alpha =\sqrt{\frac{{2I}_2}{I_0{\left(1-\left(k_1+k_2\right)\right)}^2}}(1.4)\]Имея из условия задачи соотношение:$I_2=0,12I_0$, подставим его в формулу (1.4) и все остальные данные, получим:
\[cos\alpha =\sqrt{\frac{2\cdot 0,12I_0}{I_0{\left(1-\left(k_1+k_2\right)\right)}^2}}=\sqrt{\frac{2\cdot 0,12}{{\left(1-\left(0,2\right)\right)}^2}}=0,61.\]Ответ: $\alpha ={arccos \left(0,61\right)\ }.$
Задание: Приведите примеры для чего можно использовать явление поляризации света?
Решение:
Явление поляризации и поляризованный свет на практике используют для:
-
модуляции и исследования потоков света в квантовой и волновой оптике,
-
конструирования поляриметров (аналитических устройств), при использовании которых находят концентрацию веществ в растворах,
-
поляризационных фильтров, например, для устранения бликов в оптических приборах,
-
создания лазеров,
-
плавного регулирования интенсивности светового пучка.
