Лекція 10. Поляризація світла
Модуль 3.2 Хвильова оптика
Основні поняття. поляризація хвиль, природне світло, типи поляризації, кругова поляризація, еліптична поляризація, лінійна поляризація, закон Малюса, закон Брюстера, подвійне променезаломлення, позитивні і негативні кристали, звичайний і незвичайний промінь
1. Поляризація електромагнітної хвилі. Типи поляризації.
2. Природний, поляризоване світло і частково-поляризоване світло. Ступінь поляризації.
4. Поляризація світла при відбиванні та заломленні. Закон Брюстера.
5. Поляризація світла при подвійному променезаломлення.
Поперечні хвилі на відміну від поздовжніх (наприклад, звукових хвиль), можуть перебувати в різних станах поляризації.
Строго монохроматична (синусоїдальна) хвиля однієї частоти з постійними значеннями амплітуди і початкової фази завжди поляризована.
Стан поляризації визначають по проекційної картині - по типу траєкторії кінця вектора (напруженості електричного поля) в проекції на площину, перпендикулярну напрямку поширення при спостереженні назустріч хвилі.
Нехай хвиля поширюється в напрямку осі x. Коливання вектора в хвилі можуть бути представлені як сума взаімоперпендікулярних коливань:
де - різниця фаз.
і, крім фазу j, отримаємо рівняння еліпса в координатах (Ey. Ez):
Таким чином, електромагнітна хвиля однієї частоти в загальному випадку має еліптичну поляризацію. Якщо у формулі (1), то еліпс поляризації перетворюється на коло - кругова поляризація (мал.1а):
, якщо у формулі (1), то еліпс поляризації вироджується у відрізок прямої - лінійна поляризація (рис.1б):
Еліптична і кругова поляризація може бути правою і лівою в залежності від напрямку обертання вектора в проекційної картині при спостереженні назустріч хвилі. На мал.1а показана ліва кругова поляризація (вектор обертається проти напрямку руху годинникової стрілки)
Коливання вектора в процесі поширення такої хвилі відбуваються в одній площині, яку називають площиною поляризації (див. Рис.1б). Хвилю з лінійною поляризацією називають також плоскополяризоване хвилею.
2. Природний, поляризований і частково - поляризоване світло. Природне світло від таких джерел, як Сонце, лампи розжарювання, газорозрядні лампи є неполяризованим. Це випромінювання багатьох збуджених атомів і молекул. Кожен атом незалежно від інших «висвічує» серію коливань за час # 964;
10 -8 ¸10 -9 с. Така серія називається цугом хвилі. Період світлових коливань Т
10 -15 с. Один цуг містить
10 6 ¸ 10 7 повних коливань і має довжину в просторі lц
0,3 ¸ 3 м, де с = 3 × 10 8 м / с - швидкість світла у вакуумі. Початкова фаза і напрямки коливань вектора випадковим чином змінюються від цуга до Цугу. В результаті накладення безлічі цугов утворюється природний (неполяризоване) світло. рис.2
Проекційну картину коливань в природному світлі зображують у вигляді равновероятного набору лінійних поляризацій, як показано на рис. 2.
Якщо вектор в кожному Цузі розкласти на дві компоненти, то на коливання уздовж осей y і z в середньому припадає одна і та ж інтенсивність:
де - інтенсивність природного світла.
Поляризоване світло можна отримати з природного за допомогою поляризатора. Поляризатори - це прилади для отримання поляризованого світла. Найпростіший поляризатор являє собою поляроїдним плівку зі спеціального речовини, яка пропускає коливання вектора в певному напрямку і поглинає коливання в ортогональному напрямку (рис.3 а).
Світлова хвиля містить коливання багатьох частот. Якщо інтервал частот поблизу середньої частоти w обмежений і виконується умова, світло називається монохроматичним. Коливання в монохроматичної хвилі описуються виразом
, де амплітуда E0 (t) - порівняно повільна функція часу, а w і k - середні величини (k = w / v), початкова фаза j0 (t) безладно (хаотично) змінюється в часі в межах від 0 до 2p.
Частково - поляризоване світло можна розглядати як суміш поляризованого з природним. Для такого світла вводиться поняття ступеня поляризації (Р):