Поляризация в физике это – Поляризация света для чайников: суть явления, сущность, определение

Содержание

Поляризация волн - это... Что такое Поляризация волн?

У этого термина существуют и другие значения, см. Поляризация.

Поляриза́ция волн — характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как направление колебаний в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения.[1]

Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору. Так что в трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы — вращение вокруг волнового вектора.

Причиной возникновения поляризации волн может быть:

  • несимметричная генерация волн в источнике возмущения;
  • анизотропность среды распространения волн;
  • преломление и отражение на границе двух сред.
Зависимость мгновенных потенциалов при круговой поляризации

Основными являются два вида поляризации:

  • линейная — колебания возмущения происходят в какой-то одной плоскости. В таком случае говорят о «
    плоско-поляризованной
    волне»;
  • круговая — конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний. В зависимости от направления вращения вектора может быть правой или левой.

На основе этих двух или только круговой можно сформировать и другие, более сложные виды поляризации. Например, эллиптическая.


Поляризация описывается Фигурами Лиссажу и соответствует сложению поперечных колебаний равной частоты.

  • Линейная поляризация

  • Круговая поляризация

  • Эллиптическая поляризация

Поляризация электромагнитных волн

Для электромагнитных волн поляризация — явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H.

Теория явления

Электромагнитная волна может быть разложена (как теоретически, так и практически) на две поляризованные составляющие, например, поляризованные вертикально и горизонтально. Возможны другие разложения, например, по иной паре взаимно перпендикулярных направлений, или же на две составляющие, имеющие левую и правую круговую поляризацию. При попытке разложить линейно поляризованную волну по круговым поляризациям (или наоборот) возникнут две составляющие половинной интенсивности.

Как с квантовой, так и с классической точки зрения, поляризация может быть описана двумерным комплексным вектором (вектором Джонса). Поляризация фотона является одной из реализаций q-бита.

Свет солнца, являющийся тепловым излучением, не имеет поляризации, однако рассеянный свет неба приобретает частичную линейную поляризацию. Поляризация света меняется также при отражении. На этих фактах основаны применения поляризующих фильтров в фотографии и т. д.

Линейную поляризацию имеет обычно излучение антенн.

По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца.

Ограничение прохождения поляризованного света можно осуществить простым поворачиванием фильтра.

Если рассеянный свет поляризовать, то, используя поляризационный фильтр с иной поляризацией, можно ограничивать прохождение света. Интенсивность света, прошедшего через поляризаторы, подчиняется закону Малюса. На этом принципе работают жидкокристаллические экраны.

Некоторые живые существа[2], например пчёлы, способны различать линейную поляризацию света, что даёт им дополнительные возможности для ориентации в пространстве. Обнаружено, что некоторые животные, например креветка-богомол павлиновая[3] способны различать циркулярно-поляризованный свет, то есть свет с круговой поляризацией.

История открытия поляризации электромагнитных волн

Открытию поляризованных световых волн предшествовали работы многих учёных. В 1669 г. датский учёный Эразм Бартолин сообщил о своих опытах с кристаллами известкового шпата (CaCO3), чаще всего имеющими форму правильного ромбоэдра, которые привозили возвращающиеся из Исландии моряки. Он с удивлением обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным). Бартолин провёл тщательные исследования обнаруженного им явления двойного лучепреломления, однако объяснения ему дать не смог.

Через двадцать лет после опытов Э. Бартолина его открытие привлекло внимание нидерландского учёного Христиана Гюйгенса. Он сам начал исследовать свойства кристаллов исландского шпата и дал объяснение явлению двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света. При этом он ввёл важное понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует анизотропия свойств кристалла, то есть их зависимость от направления (конечно, такой осью обладают далеко не все кристаллы).

В своих опытах Гюйгенс пошёл дальше Бартолина, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл. Оказалось, что если оптические оси обоих кристаллов параллельны, то дальнейшего разложения этих лучей уже не происходит. Если же второй ромбоэдр повернуть на 180 градусов вокруг направления распространения обыкновенного луча, то при прохождении через второй кристалл необыкновенный луч претерпевает сдвиг в направлении, противоположном сдвигу в первом кристалле, и из такой системы оба луча выйдут соединёнными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей.

Волна с круговой поляризацией.

Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов Х. Гюйгенса И. Ньютон, придерживавшийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света.

В 1808 г. французский физик Этьен Луи Малюс, глядя сквозь кусок исландского шпата на блестевшие в лучах заходящего солнца окна Люксембургского дворца в Париже, к своему удивлению заметил, что при определённом положении кристалла было видно только одно изображение. На основании этого и других опытов и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, он предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определённую ориентацию. Такой «упорядоченный» свет он назвал поляризованным.

Параметры Стокса

Изображение поляризации языком параметров Стокса на сфере Пуанкаре

В общем случае плоская монохроматическая волна имеет правую или левую эллиптическую поляризацию. Полная характеристика эллипса даётся тремя параметрами, например, полудлинами сторон прямоугольника, в который вписан эллипс поляризации , и разностью фаз , либо полуосями эллипса , и углом между осью и большой осью эллипса. Удобно описывать эллиптически поляризованную волну на основе параметров Стокса:

,
,
,
.

Независимыми являются только три из них, ибо справедливо тождество:

.

Если ввести вспомогательный угол , определяемый выражением (знак соответствует левой, а — правой поляризации[4]), то можно получить следующие выражения для параметров Стокса:

,
,
.

На основе этих формул можно характеризовать поляризацию световой волны наглядным геометрическим способом. При этом параметры Стокса , , интерпретируются, как декартовы координаты точки, лежащей на поверхности сферы радиуса . Углы и имеют смысл сферических угловых координат этой точки. Такое геометрическое представление предложил Пуанкаре [уточнить], поэтому эта сфера называется сферой Пуанкаре. В математике этой модели соответствует сфера Римана, в других разделах физики - сфера Блоха.

Наряду с , , используют также нормированные параметры Стокса , , . Для поляризованного света .

Практическое значение

Картинка справа сделана с использованием поляризационного фильтра

Скорость распространения волны может зависеть от её поляризованности.

Две волны, линейно поляризованные под прямым углом друг к другу, не интерферируют.

Чаще всего это явление используется для создания различных оптических эффектов, а также в 3D-кинематографе (технология IMAX), где поляризация используется для разделения изображений, предназначенных правому и левому глазу.

Круговая поляризация применяется в антеннах космических линий связи, так как для приёма сигнала не важно положение плоскости поляризации передающей и приёмной антенн. То есть вращение космического аппарата не повлияет на возможность связи с ним. В наземных линиях используют антенны линейной поляризации — всегда можно выбрать заранее — горизонтально или вертикально располагать плоскость поляризации антенн. Антенну круговой поляризации выполнить сложнее, чем антенну линейной поляризации. Вообще, круговая поляризация — вещь теоретическая. На практике говорят об антеннах эллиптической поляризации — с левым или правым направлением вращения.

Круговая поляризация света используется также в технологиях стереокинематографа RealD и MasterImage. Эти технологии подобны IMAX с той разницей, что круговая поляризация вместо линейной позволяет сохранять стереоэффект и избегать двоения изображения при небольших боковых наклонах головы.

Поляризация частиц

Аналогичный эффект наблюдается при квантовомеханическом рассмотрении пучка частиц, обладающих спином. Состояние отдельной частицы в этом случае, вообще говоря, не является чистым и должно описываться соответствующей матрицей плотности. Для частицы со спином ½ (скажем, электрона) это эрмитова матрица 2×2 со следом 1:

В общем случае она имеет вид

Здесь — вектор, составленный из матриц Паули, а — вектор среднего спина частицы. Величина

называется степенью поляризации частицы. Это вещественное число Значение соответствует полностью поляризованному пучку частиц, при этом

где — вектор состояния частицы. Фактически, полностью поляризованные частицы можно полностью описать вектором состояния.

См. также

Примечания

  1. Волны — статья из Большой советской энциклопедии
  2. Некоторые люди также обладают способностью различать поляризацию света, в частности эти люди могут наблюдать невооруженным глазом эффекты, связанные с частичной поляризацией света дневного неба. Так описывает этот эффект Лев Николаевич Толстой в своей повести «Юность»:
    «и, вглядываясь в растворенную дверь балкона … , и в чистое небо, на котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное желтоватое пятнышко и снова исчезает;»
  3. MEMBRANA | Мировые новости | Учёные открыли новую форму зрительного восприятия
  4. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. — МГУ,Наука, 2004. — P. 654. стр. 36. Знак соответствует левому винту в пространстве, при этом во времени происходит вращение по часовой стрелке, если смотреть вдоль волны.

Литература

  • Физика. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. — 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 87. ISBN 5-85270-306-0 (БРЭ)
  • Ахманов С. А., Никитин С. Ю. — Физическая оптика, 2 издание, M. — 2004.
  • Борн М., Вольф Э. — Основы оптики, 2 издание, исправленное, пер. с англ.,М. — 1973

Ссылки

dic.academic.ru

Поляризация света | ЭТО ФИЗИКА

В начале XIX века, когда Т.Юнг и О.Френель развивали волновую теорию света, природа световых волн была неизвестна. На первом этапе предполагалось, что свет представляет собой продольные волны, распространяющиеся в некоторой гипотетической среде – эфире. При изучении явлений интерференции и дифракции вопрос о том, являются ли световые волны продольными или поперечными, имел второстепенное значение. В то время казалось невероятным, что свет – это поперечные волны, так как по аналогии с механическими волнами пришлось бы предполагать, что эфир – это твердое тело (поперечные механические волны не могут распространяться в газообразной или жидкой среде).

Однако, постепенно накапливались экспериментальные факты, свидетельствующие в пользу поперечности световых волн. Еще в конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата (CaCO

3) раздваивает проходящие через него лучи. Это явление получило название двойного лучепреломления (рис. 3.11.1).

Рисунок 3.11.1.

Прохождение света через кристалл исландского шпата (двойное лучепреломление). Если кристалл поворачивать относительно направления первоначального луча, то поворачиваются оба луча, прошедшие через кристалл

В 1809 году французский инженер Этьен Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). Пластинки можно было поворачивать друг относительно друга на угол φ (рис. 3.11.2).

Рисунок 3.11.2.

Иллюстрация к закону Малюса

Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2 φ:

Ни двойное лучепреломление, ни закон Малюса не могут найти объяснение в рамках теории продольных волн. Для продольных волн направление распространения луча является осью симметрии. В продольной волне все направления в плоскости, перпендикулярной лучу, равноправны. В поперечной волне (например, в волне, бегущей по резиновому жгуту) направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны (рис. 3.11.3).

Рисунок 3.11.3.

Поперечная волна в резиновом жгуте. Частицы колеблются вдоль оси y. Поворот щели S вызовет затухание волны

Таким образом, асимметрия относительно направления распространения (луча) является решающим признаком, который отличает поперечную волну от продольной. Впервые догадку о поперечности световых волн высказал в 1816 г. Т.Юнг. Френель, независимо от Юнга, также выдвинул концепцию поперечности световых волн, обосновал ее многочисленными экспериментами и создал теорию двойного лучепреломления света в кристаллах.

В середине 60-х годов XIX века на основании совпадения известного значения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн Максвелл сделал вывод о том, что свет – это электромагнитные волны. К тому времени поперечность световых волн уже была доказано экспериментально. Поэтому Максвелл справедливо полагал, что поперечность электромагнитных волн является еще одним важнейшим доказательством электромагнитной природы света.

Электромагнитная теория света приобрела должную стройность, поскольку исчезла необходимость введения особой среды распространения волн – эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело.

В электромагнитной волне вектора  и  перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 2.6.3). Во всех процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет электрический вектор  поэтому его называют световым вектором. Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, такую волну называют линейно поляризованной или плоско поляризованной (термин поляризация волн был введен Малюсом применительно к поперечным механическим волнам). Плоскость, в которой колеблется световой вектор  называется плоскостью колебаний (плоскость yz на рис. 2.6.3), а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор  – плоскостью поляризации (плоскость xz на рис. 2.6.3).

Если вдоль одного и того же направления распространяются две монохроматические волны, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, то в результате их сложения в общем случае возникает эллиптически поляризованная волна (рис. 3.11.4).

Рисунок 3.11.4.

Сложение двух взаимно перпендикулярно поляризованных волн и образование эллиптически поляризованной волны

В эллиптически поляризованной волне в любой плоскости P, перпендикулярной направлению распространения волны, конец результирующего вектора  за один период светового колебания обегает эллипс, который называется эллипсом поляризации. Форма и размер эллипса поляризации определяются амплитудами ax и ay линейно поляризованных волн и фазовым сдвигом Δφ между ними. Частным случаем эллиптически поляризованной волны является волна с круговой поляризацией (ax = ay, Δφ = ± π / 2).

Рис. 3.11.5 дает представление о пространственной структуре эллиптически поляризованной волны.

Рисунок 3.11.5.

Электрическое поле в эллиптически поляризованной волне

Линейно поляризованный свет испускается лазерными источниками. Свет может оказаться поляризованным при отражении или рассеянии. В частности, голубой свет от неба частично или полностью поляризован. Однако, свет, испускаемый обычными источниками (например, солнечный свет, излучение ламп накаливания и т. п.), неполяризован. Свет таких источников в каждый момент состоит из вкладов огромного числа независимо излучающих атомов с различной ориентацией светового вектора в излучаемых этими атомами волнах. Поэтому в результирующей волне вектор  беспорядочно изменяет свою ориентацию во времени, так что в среднем все направления колебаний оказываются равноправными. Неполяризованный свет называют также естественным светом.

В каждый момент времени вектор  может быть спроектирован на две взаимно перпендикулярные оси (рис. 3.11.6).

Рисунок 3.11.6.

Разложение вектора  по осям

Это означает, что любую волну (поляризованную и неполяризованную) можно представить как суперпозицию двух линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях волн: . Но в поляризованной волне обе составляющие Ex (t) и Ey (t) когерентны, а в неполяризованной – некогерентны, т. е. в первом случае разность фаз между Ex (t) и Ey (t) постоянна, а во втором она является случайной функцией времени.

Явление двойного лучепреломления света объясняется тем, что во многих кристаллических веществах показатели преломления волн, линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях, различны. Поэтому кристалл раздваивает проходящие через него лучи (рис. 3.11.1). Два луча на выходе кристалла линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Кристаллы, в которых происходит двойное лучепреломление, называются анизотропными.

С помощью разложения вектора  на составляющие по осям можно объяснить закон Малюса (рис. 3.11.2).

У многих кристаллов поглощение света сильно зависит от направления электрического вектора в световой волне. Это явление называют дихроизмом. Этим свойством, в частности, обладают пластины турмалина, использованные в опытах Малюса. При определенной толщине пластинка турмалина почти полностью поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн (например, Ex) и частично пропускает вторую волну (Ey). Направление колебаний электрического вектора в прошедшей волне называется разрешенным направлением пластинки. Пластинка турмалина может быть использована как для получения поляризованного света (поляризатор), так и для анализа характера поляризации света (анализатор). В настоящее время широко применяются искусственные дихроичные пленки, которые называются поляроидами. Поляроиды почти полностью пропускают волну разрешенной поляризации и не пропускают волну, поляризованную в перпендикулярном направлении. Таким образом, поляроиды можно считать идеальными поляризационными фильтрами.

Рассмотрим прохождение естественного света последовательно через два идеальных поляроида П1 и П2 (рис. 3.11.7), разрешенные направления которых повернуты друг относительно друга на некоторый угол φ. Первый поляроид играет роль поляризатора. Он превращает естественный свет в линейно поляризованный. Второй поляроид служит для анализа падающего на него света.

Рисунок 3.11.7.

Прохождение естественного света через два идеальных поляроида. yy' – разрешенные направления поляроидов

Если обозначить амплитуду линейно поляризованной волны после прохождения света через первый поляроид через  , то волна, пропущенная вторым поляроидом, будет иметь амплитуду E = E0 cos φ. Следовательно, интенсивность I линейно поляризованной волны на выходе второго поляроида будет равна

Таким образом, в электромагнитной теории света закон Малюса находит естественное объяснение на основе разложения вектора  на составляющие.

www.its-physics.org

Поляризация света - это... Что такое Поляризация света?

Поляризация — для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Когерентное электромагнитное излучение может иметь:

Эллипс поляризации

  • Линейную поляризацию — в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны;
  • Круговую поляризацию — правую либо левую, в зависимости от направления вращения вектора индукции;
  • Эллиптическую поляризацию — случай, промежуточный между круговой и линейными поляризациями.

Некогерентное излучение может не быть поляризованным, либо быть полностью или частично поляризованным любым из указанных способов. В этом случае понятие поляризации понимается статистически.

При теоретическом рассмотрении поляризации волна полагается распространяющейся горизонтально. Тогда можно говорить о вертикальной и горизонтальной линейных поляризациях волны.

Линейная Круговая Эллиптическая

Теория явления

Электромагнитная волна может быть разложена (как теоретически, так и практически) на две поляризованные составляющие, например поляризованные вертикально и горизонтально. Возможны другие разложения, например по иной паре взаимно перпендикулярных направлений, или же на две составляющие, имеющие левую и правую круговую поляризацию. При попытке разложить линейно поляризованную волну по круговым поляризациям (или наоборот) возникнут две составляющие половинной интенсивности.

Как с квантовой, так и с классической точки зрения, поляризация может быть описана двумерным комплексным вектором (вектором Джонса). Поляризация фотона является одной из реализаций q-бита.


Свет солнца, являющийся тепловым излучением, не имеет поляризации, однако рассеянный свет неба приобретает частичную линейную поляризацию. Поляризация света меняется также при отражении. На этих фактах основаны применения поляризующих фильтров в фотографии и т. д.

Линейную поляризацию имеет обычно излучение антенн.

По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца.

Если рассеянный свет поляризовать, то, используя поляризационный фильтр с иной поляризацией, можно ограничивать прохождение света. Интенсивность света прошедшего через поляризаторы подчиняется закону Малюса. На этом принципе работают жидкокристаллические экраны.

Некоторые живые существа, например пчёлы, способны различать линейную поляризацию света, что даёт им дополнительные возможности для ориентации в пространстве. Обнаружено, что некоторые животные, например креветка-богомол павлиновая[1] способны различать циркулярно-поляризованный свет, то есть свет с круговой поляризацией.

История открытия

Открытию поляризованных световых волн предшествовали работы многих учёных. В 1669 г. датский учёный Э. Бартолин сообщил о своих опытах с кристаллами известкового шпата (CaCO3), чаще всего имеющими форму правильного ромбоэдра, которые привозили возвращающиеся из Исландии моряки. Он с удивлением обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным). Бартолин провёл тщательные исследования обнаруженного им явления двойного лучепреломления, однако объяснения ему дать не смог. Через двадцать лет после опытов Э. Бартолина его открытие привлекло внимание нидерландского учёного Х. Гюйгенса. Он сам начал исследовать свойства кристаллов исландского шпата и дал объяснение явлению двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света. При этом он ввёл важное понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует анизотропия свойств кристалла, т. е. их зависимость от направления (конечно, такой осью обладают далеко не все кристаллы). В своих опытах Гюйгенс пошёл дальше Бартолина, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл. Оказалось, что если оптические оси обоих кристаллов параллельны, то дальнейшего разложения этих лучей уже не происходит. Если же второй ромбоэдр повернуть на 180 градусов вокруг направления распространения обыкновенного луча, то при прохождении через второй кристалл необыкновенный луч претерпевает сдвиг в направлении, противоположном сдвигу в первом кристалле, и из такой системы оба луча выйдут соединёнными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей. Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов Х. Гюйгенса И. Ньютон, придерживавшийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света. В 1808 г. французский физик Э. Малюс, глядя сквозь кусок исландского шпата на блестевшие в лучах заходящего солнца окна Люксембургского дворца в Париже, к своему удивлению заметил, что при определённом положении кристалла было видно только одно изображение. На основании этого и других опытов и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, он предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определённую ориентацию. Такой «упорядоченный» свет он назвал поляризованным.

Параметры Стокса

Изображение поляризации языком параметров Стокса на сфере Пуанкаре

В общем случае плоская монохроматическая волна имеет правую или левую эллиптическую поляризацию. Полная характеристика эллипса даётся тремя параметрами, например,полудлинами сторон прямоугольника, в который вписан эллипс поляризации A1, A2 и разностью фаз φ, либо полуосями эллипса a, b и углом ψ между осью x и большой осью эллипса. Удобно описывать эллиптически поляризованную волну на основе параметров Стокса:

, ,

, .

Независимыми являются только три из них, ибо справедливо тождество:

.

Если ввести вспомогательный угол χ , определяемый выражением (знак соответствует правой, а - левой поляризации), то можно получить следующие выражения для параметров Стокса:

,

,

.

На основе этих формул можно характеризовать поляризацию световой волны наглядным геометрическим способом. При этом параметры Стокса , , интерпретируются, как декартовы координаты точки, лежащей на поверхности сферы радиуса . Углы и имеют смысл сферических угловых координат этой точки. Такое геометрическое представление предложил Пуанкаре, поэтому эта сфера называется сферой Пуанкаре.

Наряду с , , используют также нормированные параметры Стокса , , . Для поляризованного света .

См. также

Литература

  • Ахманов С.А., Никитин С.Ю. - Физическая оптика, 2 издание, M. - 2004.
  • Борн М., Вольф Э. - Основы оптики, 2 издание, исправленное, пер. с англ.,М. - 1973

Примечания

  1. http://www.membrana.ru/lenta/?8088

Wikimedia Foundation. 2010.

dic.academic.ru

Поляризация света

Поляризация света

Определение 1

Свет называют поляризованным, если направления колебаний светового вектора упорядочены. В естественном свете колебания векторов поля происходят быстро и хаотично.

Явление поляризации типично для поперечных колебаний.

Пусть совершаются два электрических колебания одно вдоль оси $X$, другое вдоль оси $Y$. Они взаимно перпендикулярны и различны по фазе на $\delta $. В таком случае уравнения колебаний можно представить как:

Суммарная напряженность поля световой волны будет равна векторной суперпозиции напряженностей $\overrightarrow{E_x}$,$\ \overrightarrow{E_y}$. При этом углом между направлениями векторов будет угол $\alpha $, который определен как:

В том случае, если $\delta $ изменяется хаотично, то угол $\alpha $ и, соответственно, направление вектора $\overrightarrow{E}$ испытывает неупорядоченные изменения.

Линейная поляризация света

Допустим, что волны света $E_x\ и\ E_y$ когерентны, $\delta =0,\pi .$ Значит исходя их (2) имеем:

Из выражения (3) следует, что в таком случае волна совершает колебания в фиксированном направлении (она плоско поляризована).

Определение 2

Плоская волна является линейно поляризованной (плоско поляризованной), если $\overrightarrow{E}$ всегда совершает колебания в одной плоскости. В той же плоскости лежит нормаль к фронту воны. Данная плоскость называется плоскостью поляризации. В линейно поляризованном свете отсутствует осевая симметрия относительно направления распространения волны. Свойства такого света в разных плоскостях, которые проходят через направление нормали, отличны. Между этими плоскостями есть две выделенные: в них проходят колебания векторов $\overrightarrow{E}$ и $\overrightarrow{H}$.

Замечание 1

Световую волну с линейной поляризацией получают, например, при пропускании естественного света сквозь пластинку турмалина, которая вырезана параллельно его оптической оси. Данное вещество обладает сильной поглощательной способностью относительно лучей света, вектор $\overrightarrow{E}$ в которых совершает колебания перпендикулярно кристаллографической оси кристалла. Если вектор напряжённости параллелен оптической оси турмалина, то данные лучи проходят через пластинку почти без поглощения. Значит, естественный свет, проходя через турмалин, частично поглощается и становится на выходе линейно поляризованным. При этом вектор $\overrightarrow{E}$ ориентирован параллельно оптической оси турмалина.

Частично поляризованный свет характеризуют степенью поляризации ($P$):

где $I_{max},I_{min}$ -- максимальные и минимальные интенсивности света, наблюдаемые при поляризации и соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам светового вектора.

Эллиптически поляризованный свет

Рассмотрим суперпозицию двух линейно поляризованных волн, имеющих одну частоту и перемещающихся в одном направлении (допустим, колебания $\overrightarrow{E_1\ }$ идут в плоскости $XZ$, $\overrightarrow{E_2\ }\ $в плоскости $YZ$ рис.1). Можно записать, что:

где $\delta $ -- сдвиг фаз между колебаниями. Результирующее поле имеет напряженность равную:

Рассмотрим электрическое поле волны (6) в плоскости, которая перпендикулярна направлению распространения волны при постоянном зафиксированном $z$. В течении некоторого промежутка времени конец вектора $\overrightarrow{E}$ описывает в плоскости $XY$ замкнутую кривую. Определим вид данной кривой. Преобразуем выражение (5) используя формулу (4), получим:

где $A_1 >0, A_2 >0.$

Из выражения (7) с помощью простых алгебраических преобразований получим:

Пусть $cos\delta =0,\ sin\delta =\pm 1,$ то выражение (8) получит вид:

Если в выражении (9) $A_1\ne A_2$, то формула (9) представляет уравнение эллипса с центром в начале координат и осями, совпадающими с осями системы координат. Полуоси эллипса равны $A_1$ (по оси $X$) и $A_2$ (по оси $Y$). $cos\delta =0$ при $\delta =\frac{\pi }{2}+n\pi \ \left(n=0,\pm 1,\pm 2,\dots \right).$ При этом уравнения (4) и (5) преобразуются к виду:

При этом конец светового вектора вращается по часовой стрелке при нечетном $n$. В таком случае говорят о правой эллиптической поляризации волны. Наблюдение за вращением вектора напряженности ведется со стороны, в которую движется волна.

При $cos\delta \ne 0$ уравнение (8) описывает эллипс, главные оси которого не совпадают с осями координат. Максимальные и минимальные величины составляющих $E_x\ и\ E_y$ равны $\pm A_1$ и $\pm A_2$ соответственно. Следовательно, эллипс вписан в прямоугольник со сторонами $2A_1,\ 2A_2$, центр которого расположен в начале координат. При этом ориентация эллипса зависит от $\delta .$

Циркулярная поляризация света

Если $A_1=A_2$,$\delta =\pm \frac{\pi }{2}$, то:

Выражение (12) показывает, что плоскость колебаний поворачивается вокруг направления луча со скоростью равной $\omega $. Световая волна в таком случае поляризована по кругу. Также данная волна называется поляризованной по кругу. Также как в случае с эллиптической поляризацией различают волны с левой и правой циркулярной поляризацией.

Пример 1

Задание: Определите тип поляризации плоской волны света, если ее световой вектор описывается уравнениями (в проекциях на оси, перпендикулярные распространению волны):

\[{\ E}_x=Ecos\left(\omega t-kz\right),\ E_y=Esin\ \left(\omega t-kz\right)\left(1.1\right).\]

Решение:

Возведем в квадраты каждое из уравнений из условия задачи, получим:

\[{{\ E}_x}^2=E^2{cos}^2\left(\omega t-kz\right)\left(1.2\right),\] \[{{\ E}_y}^2=E^2{sin}^2\left(\omega t-kz\right)\left(1.3\right).\]

Сложим выражения (1.2) и (1.3), имеем:

\[{{\ E}_x}^2+{{\ E}_y}^2=E^2{cos}^2\left(\omega t-kz\right)+E^2{sin}^2\left(\omega t-kz\right)\to {{\ E}_x}^2+{{\ E}_y}^2=E^2.\]

Мы получили уравнение окружности, следовательно, свет имеет круговую (циркулярную) поляризацию.

Ответ: Круговая поляризация.

Пример 2

Задание: Определите тип поляризации плоской волны света, если ее световой вектор описывается уравнениями (в проекциях на оси, перпендикулярные распространению волны):

\[{\ E}_x=Ecos\left(\omega t-kz\right),\ E_y=Ecos\ \left(\omega t-kz+\frac{\pi }{4}\right)\left(2.1\right).\]

Решение:

Возведем в квадраты каждое из уравнений из условия задачи (2.1), получим:

\[{{\ E}_x}^2=E^2{cos}^2\left(\omega t-kz\right)\left(2.2\right),\] \[{{\ E}_y}^2=E^2{cos}^2\left(\omega t-kz+\frac{\pi }{4}\right)\left(2.3\right).\]

Суммируем выражения (2.2) и (2.3), получаем:

\[{{\ E}_x}^2+{{\ E}_y}^2=E^2{cos}^2\left(\omega t-kz\right)+E^2{cos}^2\left(\omega t-kz+\frac{\pi }{4}\right)=E^2({cos}^2\left(\omega t-kz\right)+{cos}^2\left(\omega t-kz+\frac{\pi }{4}\right))\left(2.4\right),\]

Преобразуем выражение ${cos}^2\left(\omega t-kz+\frac{\pi }{4}\right)$, используя тригонометрические соотношения, имеем:

\[cos\left(\omega t-kz+\frac{\pi }{4}\right)={cos \left(\omega t-kz\right)\ }cos\frac{\pi }{4}-sin\left(\omega t-kz\right)sin\frac{\pi }{4}=\frac{1}{\sqrt{2}}{cos \left(\omega t-kz\right)\ }-\frac{1}{\sqrt{2}}sin\left(\omega t-kz\right)\to {cos}^2\left(\omega t-kz+\frac{\pi }{4}\right)=\frac{1}{2}\left\{{cos^2 \left(\omega t-kz\right)+\ }sin^2\left(\omega t-kz\right)-2{cos \left(\omega t-kz\right)sin\left(\omega t-kz\right)\ }\right\}=-{cos \left(\omega t-kz\right)sin\left(\omega t-kz\right)(2.5)\ }\]

Подставим результат, полученный в (2.5) в выражение (2.4) имеем:

\[{{\ E}_x}^2+{{\ E}_y}^2=E^2\left [{cos}^2\left(\omega t-kz\right)-{cos \left(\omega t-kz\right) sin\left(\omega t-kz\right)\ }\right](2.6).\]

Из выражения (2.6) следует, что волна поляризована эллиптически.

Ответ: Эллиптический тип поляризации.

spravochnick.ru

Поляризация электромагнитных волн | Наука

Поляризация электромагнитных волн (ПЭВ) — одно из фундаментальных свойств оптического излучения (света), состоящее в искажении различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны).[1]

ПЭВ — явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H.

Когерентное электромагнитное излучение может иметь:

Эллипс поляризации

  • Линейную поляризацию — в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны;
  • Круговую поляризацию — правую либо левую, в зависимости от направления вращения вектора индукции;
  • Эллиптическую поляризацию — случай, промежуточный между круговой и линейными поляризациями.

Некогерентное излучение может не быть поляризованным, может быть полностью или частично поляризованным любым из указанных способов. В таком случае понятие поляризации понимается статистически.

При теоретическом рассмотрении поляризации волна полагается распространяющейся горизонтально. В этом случае можно рассматривать вертикальную и горизонтальную линейные поляризациии волны.

Для понимания явления поляризации света имело её проявление в эффекте интерференции света. Именно тот факт, что когда два световых луча, линейно поляризованных под прямым углом друг к другу, при простейшей постановке опыта не интерферируют, явился решающим доказательством поперечности световых волн (Френель, Араго, Т. Юнг, 1816—19). Поляризация света нашла естественное объяснение в электромагнитной теории света Дж. К. Максвелла (1865—73).

Поперечность световых волн (как и любых др. электромагнитных волн) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряжённости электрического поля интерференции Е и напряжённости магнитного поля Н перпендикулярны направлению распространения волны. Е и Н выделяют (отсюда указанное выше неравноправие) определённые направления в пространстве, занятом волной. При этом Е и Н почти всегда взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния поляризация света требуется знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор Е.

Круговая поляризацияПравить

Круговая поляризация — состояние распространяющейся электромагнитной волны (например, световой), при котором концы её электрического и магнитного векторов Е и Н в каждой точке пространства, где проходит волна, описывают окружности в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

В России и США используются спутниковы станции, оснащённые вращающимися антенами с круговой поляризацией. В Европе — навигационные телевизионные станции оснащены прямолинеёной поляпизацией. Исторически так сложилось, что раньше СССР использовал для ТВ вещания спутники серии «Молния», находящиеся на высокоэлептических орбитах. Для приема сигнала и слежения за спутниками использовались станции, оснащенные весьма большими антеннами и дорогим высокочувствительным оборудованием Орбита 1-3 (такая станция долго стояла в Хабаровске). Это было связано с тем, что спутники постоянно двигались, и в случае использования круговой поляризации не требовалось корректировать поляризацию в зависимости от положения спутника. В случае применения линейной поляризации, то ее пришлось бы постоянно вращать. Например, в США за стандарт аналогично принята круговая поляризация (например, Интелсаты везде применяют круговую поляризацию).

Использование линейной поляризации в европеёских странах вызвано тем, что всё спутниковое вещание в Европе началось в конце 80-х годов. Для него были использованы спутники, находящиеся на стабильных геостационарных орбитах и для вещания в Ku-band в Европе была принята линейная поляризация.

Не исключено, что в ближайшее время при вещании на Россию в C-band не будет линейной поляризации, т.к. в России для спутникового вещания в качестве стандарта принята круговая поляризация.

Электромагнитная волна может быть разложена (как теоретически, так и практически) на две поляризованные составляющие, например поляризованные вертикально и горизонтально. Возможны другие разложения, например по иной паре взаимно перпендикулярных направлений, или же на две составляющие, имеющие левую и правую круговую поляризацию. При попытке разложить линейно поляризованную волну по круговым поляризациям (или наоборот) возникнут две составляющие половинной интенсивности.

Как с квантовой, так и с классической точки зрения, поляризация может быть описана двумерным комплексным вектором (вектором Джонса). Поляризация фотона является одной из реализаций q-бита.


Свет солнца, являющийся тепловым излучением, не имеет поляризации, однако рассеянный свет неба приобретает частичную линейную поляризацию. Поляризация света меняется также при отражении. На этих фактах основаны применения поляризующих фильтров в фотографии и т. д.

Линейную поляризацию имеет обычно излучение антенн.

По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца.

Если рассеянный свет поляризовать, то, используя поляризационный фильтр с иной поляризацией, можно ограничивать прохождение света. Интенсивность света прошедшего через поляризаторы подчиняется закону Малюса. На этом принципе работают жидкокристаллические экраны.

    История открытия Править

    Открытию поляризованных световых волн предшествовали работы многих учёных. В 1669 г. датский учёный Эразм Бартолин сообщил о своих опытах с кристаллами известкового шпата (CaCO3), чаще всего имеющими форму правильного ромбоэдра, которые привозили возвращающиеся из Исландии моряки. Он с удивлением обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным). Бартолин провёл тщательные исследования обнаруженного им явления двойного лучепреломления, однако объяснения ему дать не смог.

    Через двадцать лет после опытов Э. Бартолина его открытие привлекло внимание нидерландского учёного Христиана Гюйгенса. Он сам начал исследовать свойства кристаллов исландского шпата и дал объяснение явлению двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света. При этом он ввёл важное понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует анизотропия свойств кристалла, то есть их зависимость от направления (конечно, такой осью обладают далеко не все кристаллы).
    В своих опытах Гюйгенс пошёл дальше Бартолина, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл. Оказалось, что если оптические оси обоих кристаллов параллельны, то дальнейшего разложения этих лучей уже не происходит. Если же второй ромбоэдр повернуть на 180 градусов вокруг направления распространения обыкновенного луча, то при прохождении через второй кристалл необыкновенный луч претерпевает сдвиг в направлении, противоположном сдвигу в первом кристалле, и из такой системы оба луча выйдут соединёнными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей.

    Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов Х. Гюйгенса И. Ньютон, придерживавшийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света.

    В 1808 г. французский физик Этьен Луи Малюс, глядя сквозь кусок исландского шпата на блестевшие в лучах заходящего солнца окна Люксембургского дворца в Париже, к своему удивлению заметил, что при определённом положении кристалла было видно только одно изображение. На основании этого и других опытов и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, он предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определённую ориентацию. Такой «упорядоченный» свет он назвал поляризованным.

    Параметры Стокса Править

    Изображение поляризации языком параметров Стокса на сфере Пуанкаре

    В общем случае плоская монохроматическая волна имеет правую или левую эллиптическую поляризацию. Полная характеристика эллипса даётся тремя параметрами, например, полудлинами сторон прямоугольника, в который вписан эллипс поляризации $ A_1 $, $ A_2 $ и разностью фаз $ \phi $, либо полуосями эллипса $ a $, $ b $ и углом $ \psi $ между осью $ x $ и большой осью эллипса. Удобно описывать эллиптически поляризованную волну на основе параметров Стокса:

    $ S_0=A^2_1+A^2_2 $, $ S_1=A^2_1-A^2_2 $,
    $ ~S_2=2A_1 A_2 \cos \phi $, $ ~S_2=2A_1 A_2 \sin \phi $.

    Независимыми являются только три из них, ибо справедливо тождество:

    $ S^2_0=S^2_1+S^2_2+S^2_3 $.

    Если ввести вспомогательный угол $ \chi $ , определяемый выражением $ \chi=\pm a/b $ (знак $ ~+ $ соответствует правой, а $ ~- $ — левой поляризации), то можно получить следующие выражения для параметров Стокса:

    $ ~S_1=S_0 \cos (2\chi) \cos (2\psi) $,
    $ ~S_2=S_0 \cos (2\chi) \sin (2\psi) $,
    $ ~S_3=S_0 \sin (2\chi) $.

    На основе этих формул можно характеризовать поляризацию световой волны наглядным геометрическим способом. При этом параметры Стокса $ ~S_1 $, $ ~S_2 $, $ ~S_3 $ интерпретируются, как декартовы координаты точки, лежащей на поверхности сферы радиуса $ ~S_0 $. Углы $ ~2\chi $ и $ ~2\psi $ имеют смысл сферических угловых координат этой точки. Такое геометрическое представление предложил Пуанкаре, поэтому эта сфера называется сферой Пуанкаре.

    Наряду с $ ~S_1 $, $ ~S_2 $, $ ~S_3 $ используют также нормированные параметры Стокса $ ~s_1=S_1/S_0 $, $ ~s_2=S_2/S_0 $, $ ~s_3=S_3/S_0 $. Для поляризованного света $ ~s^2_1+s^2_2+s^2_3=1 $.

    Использование явления поляризации светаПравить

    Особенности взаимодействия поляризованного света с веществом позволили найти его широкое применение в научных исследованиях, в определении структуры твёрдых тел, строения биологических объектов (см., например, поляризационная микроскопия), состояний элементарных излучателей и их отдельных центров, ответственных за квантовые переходы, для получения информации о сильно удаленных (в частности, астрофизических) объектах. Вообще, поляризация света как существенно анизотропное свойство излучения, позволяет изучать все виды анизотропии вещества — поведение газообразных, жидких и твёрдых тел в полях анизотропных возмущений (механических, звуковых, электрических, световых), в структуре — в подавляющем большинстве — оптически анизотропных материалов, в технике (например, в машиностроении) — упругие напряжения в конструкциях (например, поляризационно-оптический метод исследования напряжений) и т.д.

    Взаимодействие поляризованного света с веществом может приводить к оптической ориентации или к настройке генерации мощного поляризованного излучения в лазерах и др. С другой стороны, исследование деполяризации света при фотолюминесценции дает сведения о взаимодействии поглощающих и излучающих центров в частицах вещества, при рассеянии света — ценные данные о структуре и свойствах рассеивающих молекул или иных частиц, в других случаях — о протекании фазовых переходов и т.д. (См. также Флюоресцентный наноскоп).

    Поляризация света широко используется в технике, например при необходимости плавной регулировки интенсивности светового пучка (см. Малюса закон), для усиления контраста и устранения световых бликов в фотографии, при создании светофильтров (например, поляризационных), модуляторов излучения (см. Модуляция света), служащих одними из основных элементов систем оптической локации и оптической связи для изучения протекания реакций, строения молекул, определения концентраций растворов (см. Поляриметрия, Сахариметрия) и др.

    Поляризация светового излучения играет заметную роль в живой природе. Многие живые существа способны чувствовать поляризацию света, а некоторые насекомые (пчёлы, муравьи) ориентируются в пространстве по поляризованному (в результате рассеяния в атмосфере) свечению голубого неба. При определенных условиях к Поляризация света становится чувствительным и человеческий глаз (т. н. явление Хайдингера). [2]

    • Ахманов С. А., Никитин С. Ю. — Физическая оптика, 2 издание, M. — 2004.
    • Борн М., Вольф Э. — Основы оптики, 2 издание, исправленное, пер. с англ.,М. — 1973
    1. ↑ http://bse.sci-lib.com/article091314.html
    2. ↑ http://www.oval.ru/enc/56254.html

    ru.science.wikia.com

    ПОЛЯРИЗАЦИЯ - это... Что такое ПОЛЯРИЗАЦИЯ?

    среды - 1) процесс, в результате к-рого физ. объект (атом, молекула, твёрдое тело и др.) приобретает электрич. дипольный момент Р. П. может возникать под действием электрич. поля Е, упругой деформации и (пьезоэлектрич. эффект), изменения темп-ры (пироэлектрич. эффект), магн. поля H (магн.-электрич. эффект), градиента деформации (флексоэлектрический эффект), градиента темп-ры (термополярпзац. эффект) и др.

    2) Вектор Р, связывающий электрич. поле Е с электрич. индукцией D:


    По определению, вне тела, где - усреднённая (по объёму много большему, чем атомные размеры) плотность связанных зарядов диэлектрика.

    Связь между локальными значениями П. и факторами, приводящими к её возникновению, записывается в виде


    Здесь - диэлектрическая восприимчивость,l - пьезоэлектрич. коэф. (см. Пьезоэлектрики), p- пироэлектрич. коэф. (см. Пироэлектрики )и т. д. Линейная связь между P и величинами возможна лишь в средах с определ. кристаллич. и магн. симметрией. Среднее (по объёму тела) значение П. равно отношению дипольного момента тела к его объёму. Для тела мак-роскопич. размеров связь ср. П. со ср. значениями определяется объёмными свойствами материала и задаётся локальными соотношениями (*), тогда как связь со ср. значениями градиентов деформации и темп-ры может существенно зависеть от свойств поверхности тела.

    Лит.: Ашкрофт H., Меrмин Н., Физика твердого тела, пер. с англ., т. 2, М., 1979; Гроот С. Р. де, Сатторп Л. Г., Электродинамика, пер. с англ., М., 1982; Та-ганцев А. К., Пиро-, ньезо-, флексоэлектрический и термополяризационный эффекты в ионных кристаллах, "УФН", 1987, т. 152, в. 3, с. 423. А. К. Таганцев.

    Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

    dic.academic.ru

    Поляризация электромагнитных волн - это... Что такое Поляризация электромагнитных волн?

    Поляризация — для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Когерентное электромагнитное излучение может иметь:

    Эллипс поляризации
    • Линейную поляризацию — в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны;
    • Круговую поляризацию — правую либо левую, в зависимости от направления вращения вектора индукции;
    • Эллиптическую поляризацию — случай, промежуточный между круговой и линейными поляризациями.

    Некогерентное излучение может быть не поляризованным, либо быть полностью или частично поляризованным.

    При теоретическом рассмотрении поляризации волна полагается распространяющейся горизонтально. Тогда можно говорить о вертикальной и горизонтальной линейных поляризациях волны.

    Линейная Круговая Эллиптическая

    Теория явления

    Электромагнитная волна может быть разложена (как теоретически, так и практически) на две поляризованные составляющие, например поляризованные вертикально и горизонтально. Возможны другие разложения, например по иной паре взаимно перпендикулярных направлений, или же на две составляющие, имеющие левую и правую круговую поляризацию. При попытке разложить линейно поляризованную волну по круговым поляризациям (или наоборот) возникнут две составляющие половинной интенсивности.

    Как с квантовой, так и с классической точки зрения, поляризация может быть описана двумерным комплексным вектором (вектором Джонса). Поляризация фотона является одной из реализаций q-бита.


    Свет солнца, являющийся тепловым излучением, не имеет поляризации, однако рассеянный свет неба приобретает частичную линейную поляризацию. Поляризация света меняется также при отражении. На этих фактах основаны применения поляризующих фильтров в фотографии и т. д.

    Линейную поляризацию имеет обычно излучение антенн.

    По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца.

    Если рассеянный свет поляризовать, то, используя поляризационный фильтр с иной поляризацией, можно ограничивать прохождение света. Интенсивность света прошедшего через поляризаторы подчиняется закону Малюса. На этом принципе работают жидкокристаллические экраны.

    Некоторые живые существа[1], например пчёлы, способны различать линейную поляризацию света, что даёт им дополнительные возможности для ориентации в пространстве. Обнаружено, что некоторые животные, например креветка-богомол павлиновая[2] способны различать циркулярно-поляризованный свет, то есть свет с круговой поляризацией.

    История открытия

    Открытию поляризованных световых волн предшествовали работы многих учёных. В 1669 г. датский учёный Эразм Бартолин сообщил о своих опытах с кристаллами известкового шпата (CaCO3), чаще всего имеющими форму правильного ромбоэдра, которые привозили возвращающиеся из Исландии моряки. Он с удивлением обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным). Бартолин провёл тщательные исследования обнаруженного им явления двойного лучепреломления, однако объяснения ему дать не смог.

    Через двадцать лет после опытов Э. Бартолина его открытие привлекло внимание нидерландского учёного Христиана Гюйгенса. Он сам начал исследовать свойства кристаллов исландского шпата и дал объяснение явлению двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света. При этом он ввёл важное понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует анизотропия свойств кристалла, то есть их зависимость от направления (конечно, такой осью обладают далеко не все кристаллы).
    В своих опытах Гюйгенс пошёл дальше Бартолина, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл. Оказалось, что если оптические оси обоих кристаллов параллельны, то дальнейшего разложения этих лучей уже не происходит. Если же второй ромбоэдр повернуть на 180 градусов вокруг направления распространения обыкновенного луча, то при прохождении через второй кристалл необыкновенный луч претерпевает сдвиг в направлении, противоположном сдвигу в первом кристалле, и из такой системы оба луча выйдут соединёнными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей.

    Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов Х. Гюйгенса И. Ньютон, придерживавшийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света.

    В 1808 г. французский физик Этьен Луи Малюс, глядя сквозь кусок исландского шпата на блестевшие в лучах заходящего солнца окна Люксембургского дворца в Париже, к своему удивлению заметил, что при определённом положении кристалла было видно только одно изображение. На основании этого и других опытов и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, он предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определённую ориентацию. Такой «упорядоченный» свет он назвал поляризованным.

    Параметры Стокса

    Изображение поляризации языком параметров Стокса на сфере Пуанкаре

    В общем случае плоская монохроматическая волна имеет правую или левую эллиптическую поляризацию. Полная характеристика эллипса даётся тремя параметрами, например, полудлинами сторон прямоугольника, в который вписан эллипс поляризации A1, A2 и разностью фаз φ, либо полуосями эллипса a, b и углом ψ между осью x и большой осью эллипса. Удобно описывать эллиптически поляризованную волну на основе параметров Стокса:

    , ,
    , .

    Независимыми являются только три из них, ибо справедливо тождество:

    .

    Если ввести вспомогательный угол χ , определяемый выражением (знак соответствует правой, а  — левой поляризации), то можно получить следующие выражения для параметров Стокса:

    ,
    ,
    .

    На основе этих формул можно характеризовать поляризацию световой волны наглядным геометрическим способом. При этом параметры Стокса , , интерпретируются, как декартовы координаты точки, лежащей на поверхности сферы радиуса . Углы и имеют смысл сферических угловых координат этой точки. Такое геометрическое представление предложил Пуанкаре, поэтому эта сфера называется сферой Пуанкаре.

    Наряду с , , используют также нормированные параметры Стокса , , . Для поляризованного света .

    См. также

    Литература

    • Ахманов С. А., Никитин С. Ю. — Физическая оптика, 2 издание, M. — 2004.
    • Борн М., Вольф Э. — Основы оптики, 2 издание, исправленное, пер. с англ.,М. — 1973

    Примечания

    1. Некоторые люди также обладают способностью различать поляризаци света, в частности эти люди могут наблюдать невооруженным глазом эффекты, связанные с частичной поляризацией света дневного неба. Так описывает этот эффект Лев Николаевич Толстой в своей повести «Юность»:
      «и, вглядываясь в растворенную дверь балкона … , и в чистое небо, на котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное желтоватое пятнышко и снова исчезает;»
    2. http://www.membrana.ru/lenta/?8088

    dic.academic.ru