Поляризация света

Где применяется явление поляризации света

Явление поляризации света служит помощником в обычной жизни человека, а также активно используется в технике, научных исследованиях и экспериментах. Многие современные приборы, устройства работают на основе этого явления.

Сферы применения поляризации света:

• для регулировки интенсивности освещения, устранения бликов. Примером служат поляризационные очки, которые защищают от бликов солнечного света от водной глади, а также защищают глаза водителей при свете встречных фар;
• для создания оптических эффектов, например, в 3D-кино, где поляризация применяется для разделения изображений, которое должен получить правый и левый глаз;
• круговая поляризация света используется в антеннах для передачи сигнала между космическими кораблями и объектами в;
• для повышения контраста прозрачных объектов;
• активно используется для экспериментов, научной деятельности, исследований, на явлении поляризации основана поляризационная микроскопия.

Закон Брюстера и корпускулярно-волновой дуализм

Рисунок 2. Закон Брюстера. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Замечание 1

Закон Брюстер гласит, что преломление сред зависит от угла, которые устанавливает основные показатели светового луча.

Таким образом, если тангенс угла падения пучка света на границу раздела двух одинаковых диэлектриков равен относительному параметру преломления, то отраженный элемент полностью поляризован в той плоскости, которая перпендикулярна к поверхности падения.

Вращение плоскости световой поляризации – систематический поворот поверхности линейно поляризованного светового луча при его прохождении через определенное вещество.

Такой эффект часто наблюдается в средах, которые оснащены круглым двойным лучепреломлением, то есть различными показателями преломления для поляризованных по кругу векторов. Линейно поляризованный световой луч можно представить, как итог сложения двух осей, что распределяются в одном направлении. Если такие два элемента распространяются в физическом теле с различными скоростями, то это приводит к внезапному повороту плоскости поляризации суммарного луча. Следовательно, вращение плоскости, согласно закону Брюстера, может быть обусловлено внешним магнитным полем или внутренней структуры вещества.

Для исследования поляризованного света существуют и часто используются специальные поляризационные устройства. Они обладают свойством пропускать основные составляющие луча с определенным направлением электрической оси, которое называется коэффициентом пропускания поляризационного объекта.

Опыты русского ученого Лебедева в корпускулярно-волновом дуализме показали, что свет может оказывать существенной давление на окружающие вещи. Перед ученым возникло огромное количество технических сложностей. Несмотря на это, он экспериментально доказал, что фотоны светового луча передают поверхностям ненулевой импульс, когда встречают серьезные преграды.

В результате исследователям пришлось признать: любая элементарная частица – это одновременно и материальный объект, и волна. Фотоны обладают как признаками осциллятора, так и характеристиками материального вещества. Это и есть ключевой принцип корпускулярно-волнового дуализма. Также необходимо было понять, как именно движется и существует в пространстве бесконечная волна с конечной массой. На помощь пришло определение «квант», представляющий собой минимальный пакет общего целого, взаимодействующий с веществом.

На сегодняшний день физики выделяют такие кванты:

• гравитационного поля — предсказаны только с теоретической точки зрения и не имеют научного доказательства;
• глюонного поля – его элементы были найдены, в отличии от гравитонов;
• коллективного взаимодействия узлов — отвечают за превращение электромагнитного излучения в звук.

Поляризация искусственного и естественного света

В большинстве своем свет, который мы видим вокруг себя является неполяризованным.

Линейно поляризованный свет исходит от лазерных источников.

При отражении или рассеянии свет может стать поляризованным. Например, голубой свет от неба полностью или частично поляризован.

Определение

Частичная поляризация света – это нестабильное соотношение между составляющими света, которые могут изменяться во времени, зависят от величин световой оси.

Но свет, который излучают естественные или искусственные источники, например, солнечный свет, излучение ламп накаливания, вектор напряженности колеблется в разных направлениях, такой свет является неполяризованным. Свет, исходящий от такого рода источников, состоит из вкладов огромного числа независимо излучающих атомов, они обладают разной ориентацией светового вектора \ в волнах, которые они излучают. Поэтому в результирующей волне вектор во времени хаотично изменяет свою ориентацию, в результате получаются в среднем равноправные направления колебаний.

Естественный свет — это другое название неполяризованного света.

Степень поляризации естественного света будет зависеть от угла падения и материала отраженных поверхностей.

Вектор \ может быть спроецирован на 2 плоскости, которые взаимно перпендикулярны, в любой момент времени.

Рис. 7. Разложение вектора \ по осям

Это означает, что поляризованную и неполяризованную волну можно представить как суперпозицию двух линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях волн: \.

При этом в поляризованной волне обе составляющие Ex (t) и Ey (t) когерентны, то есть разность фаз между Ex (t) и Ey (t) постоянна, а в неполяризованной волне составляющие Ex (t) и Ey (t) – некогерентные, то есть разность представляет собой случайную функцию времени.

Явление двойного лучепреломления света можно объяснить тем, что во многих кристаллических веществах показатели преломления волн различны, при этом они линейно поляризованы, а плоскости взаимно перпендикулярны.

Это объясняет тот факт, что кристалл исландского шпата раздваивает проходящие через него лучи (РИСУНОК 1). На выходе из кристалла два луча линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Анизотропные кристаллы — это материалы, в которых происходит двойное лучепреломление.

С помощью разложения вектора \ на составляющие по осям можно разъяснить закон Малюса (РИСУНОК 2).

Определение

Дихроизма — это явление, которое заключается в различной степени поглощении веществом света в зависимости от его поляризации. У большей части кристаллов поглощение света напрямую зависит от направления электрического вектора в световой волне.

Этой особенностью обладают пластины турмалина, которые использовал Малюс в своих опытах. Имея определенную толщину пластина 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 пластины.

Пластину турмалина можно применить для получения поляризованного света, тогда она выступает в роли поляризатора, или для анализа поляризации света, тогда она является анализатором.

В настоящее время активно используются искусственные дихроичные пленки — поляроиды. Они почти целиком пропускают волну разрешенной поляризации, но не пропускают волну, поляризованную в перпендикулярной плоскости. Приходим к выводу, что поляроиды — это идеально подходящие поляризационные фильтры.

На рисунке 8 представлено прохождение естественного света через два идеальных поляроида П1 и П2, при этом разрешенные направления их повернуты друг относительно друга на некоторый угол φ.  

Первый поляроид является катализатором, он превращает естественный свет в линейно поляризованный.

Второй поляроид в данной паре выступает в роли анализатора, служит для анализа характера поляризации, падающего на него света.

Рис 8. Прохождение естественного света через два идеальных поляроида, где yy’– разрешенные направления поляроидов

Амплитуду линейно поляризованной волны после прохождения света через первый поляроид можно обозначить в виде \[E_{0}=\sqrt{I_{0} / 2}\], это приводит к тому, что пропущенная вторым поляроидом волна будет иметь амплитуду E = E cos φ.

Получаем, что интенсивность поляризации света I линейно поляризованной волны на выходе второго поляроида будет записана следующим образом: \.

Это доказывает, что в электромагнитной теории света, закон Малюса можно объяснить путем разложения вектора \ на составляющие.

Рис. 9. Модель поляризации света

Рис. 10. Модель закона Этьена Малюса

Поляризация света: решение задач

Глупо начинать решать задачи на поляризацию, не зная, что это такое. Поэтому, сначала почитайте теорию, а уже потом приступайте к практике. Приступая к решению задач, рекомендуем держать под рукой полезные формулы и руководствоваться универсальной памяткой по решению физических задач.

Задача на поляризацию №1

Условие

Пучок естественного света, идущий в воде, отражается от грани алмаза, погруженного в воду. При каком угле падения εB отраженный свет полностью поляризован? 

Решение

Воспользуемся формулой для угла Брюстера. Согласно закону Брюстера, свет, отраженный от диэлектрика, полностью поляризован в том случае, если тангенс угла падения:

tgεB=n21

где n21 — относительный показатель преломления второй среды (алмаза) относительно первой (воды).

Относительный показатель преломления равен отношению абсолютных показателей преломления этих сред. Следовательно:

tgεB=n2n1εB=arctgn2n1=61°12′

Ответ: εB=61°12′

Задача на поляризацию №2

Условие Пучок естественного света падает на полированную поверхность стеклянной пластины, погруженной в жидкость. Отраженный от пластины пучок света составляет угол φ=97° с падающим пучком. Определить показатель преломления n жидкости, если отраженный свет полностью поляризован

А

Решение

Также пользуясь законом Брюстера, запишем:

tgεB=n2n1

Согласно условию задачи, отраженный луч повернут на угол φ относительно падающего луча. Так как угол падения равен углу отражения, то:

εB=φ2tgφ2=n2n1n1=n2tgφ2=1,33

Ответ: n1=1,33

Задача на поляризацию №3

Условие

На какой угловой высоте φ над горизонтом должно находиться Солнце, чтобы солнечный свет, отраженный от поверхности воды, был полностью поляризован?

Решение

В данном случае свет распространяется в воздухе, а значит, n1=1.

tgεB=n2n1=n2εB=arctgn2

Угловую высоту солнца над горизонтом найдем следующим образом:

φ=90°-arctg1,33=37°

Ответ: φ=37°.

Задача на поляризацию №4

Условие

Угол Брюстера εB при падении света из воздуха на кристалл каменной соли равен 57°. Определить скорость света в этом кристалле.

Решение

Для начала вспомним, что показатель преломления среды определяется как отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде:

n1=cV1n2=cV2

Теперь запишем закон Брюстера:

tgεB=n2n1=V1V2

По условию, свет падает из воздуха, значит:

V1=ctgεB=cV2V2=ctgεB=ctg57°=1,94·108 мс

Ответ: V2=1,94·108 мс.

Задача на поляризацию №5

Условие 

Анализатор в k=2 раза уменьшает интенсивность света, приходящего к нему от поляризатора. Определить угол α между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора. Потерями интенсивности света в анализаторе пренебречь.

Решение

Для решения этой задачи запишем закон Малюса:

I=Icos2α

Здесь I — интенсивность плоскополяризованного света, прошедшего через анализатор; I — интенсивность плоскополяризованного света, падающего на анализатор; α — угол между направлением колебаний светового вектора волны, падающей на анализатор, и плоскостью пропускания анализатора.

Из условия известно, что:

k=2=II

Отсюда:

II=cos2αcos2α=12α=arccos12=45°

Ответ: α=45°

Поляризованный и естественный свет: закон Максвелла

Максвелл быстро разработал комплексную и эффективную модель поперечных световых волн, которые приводили в итоге к явлению двойного лучепреломления и ряду иных оптических эффектов. Спустя 40 лет теория ученого точно описала и объяснила поперечную природу света.

Электромагнитные волны Максвелла включали:

• поля, которые колеблются перпендикулярно направлению центрального перемещения;
• колебательные упорядоченные направления светового вектора, называемые поляризованными;
• систематизированный волны светового луча.

Элементы расположены под углом 90° относительно друг друга. Для исследования поляризации света достаточно знать изначальное положение только одного из световых векторов. Обычно для этого используется ось $E$.

При этом распространения электрического и магнитного полей формируют комплексную правую систему координат. Уравнения доказывают, что частицы поля находятся в фазовой среде и в любой момент времени могут одновременно достигать максимальных значений в пространстве. Закон максвелла предполагает, что абсолютно для всех электромагнитных волн в пустоте поляризованный свет возможно получить из естественного посредством поляризаторов, способных пропускать световые лучи только в одном направлении (кварц, исландский шпат турмалин).

Рисунок 1. Поляризация света, теория Максвелла. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Поляризация света — понятие, определение

Поляризация — это явление направленного колебания векторов напряженности в электромагнитной волне. Возникает только в поперечных волнах.

Поляризация возникает при распространении волн в анизотропных средах (кристаллах), при отражении и преломлении волн на границе раздела сред. Явление было открыто Христианом Гюйгенсом в 1678 году, термин введен французским ученым Этьеном Луи Малюсом в 1808 году.

В начале XIX столетия утверждение, что свет — это электромагнитная волна, а не упругое возмущение эфира, казалось нелепым, но позже было доказано, что свет — это гармонические колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся в пространстве.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут

Электромагнитные волны почти всегда обладают свойствами поперечных волн, поскольку вектора напряженности в них колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Продольными электромагнитные волны бывают только в сильно диспергирующих средах.

Свет от естественных источников обычно не поляризован: он является смесью пакетов волн со всевозможными направлениями поляризации, и потому через поляризатор, независимо от угла его поворота, всегда проходит примерно одинаковое количество лучей. А вот излучение лазера, как правило, линейно поляризовано, даже если это маленькая лазерная указка.

Поляризация бывает круговой, эллиптической и линейной — в зависимости от формы кривой, вычерчиваемой концом вектора амплитуды. Если направление вектора \(\overrightarrow Е\) неизменно, волна называется линейно поляризованной, а линия, вдоль которой он колеблется, — направлением поляризации. Плоскость, в которой кроме вектора \(\overrightarrow Е\) лежит еще вектор скорости волны, называется плоскостью поляризации.

Если же направление вектора \(\overrightarrow Е\) изменяется, и он вращается вокруг вектора скорости волны, то поляризация называется круговой. В данном случае проекциями вектора \(\overrightarrow Е\) на две взаимно перпендикулярные оси будут самостоятельные гармонические волны: одна из них отстает от другой на четверть длины волны.

Можно сказать, что круговая поляризация — результат сложения двух линейно поляризованных волн. Если же складываются две волны круговой поляризации, у которых векторы \(\overrightarrow Е\) вращаются в противоположных направлениях, получается линейно поляризованная волна.

В самом общем случае вектор \(\overrightarrow Е\) при вращении периодически изменяет свою длину. Такая поляризация называется эллиптической, круговая и линейная поляризация — ее частные случаи. Круговая или эллиптическая поляризация может быть правой или левой, что определяется направлением вращения вектора.

Чтобы описать поляризацию волны, компоненты вектора напряженности выражают с помощью параметров Стокса, интерпретируя их, как координаты точек, расположенных на сфере, называемой сферой Пуанкаре.

Что такое степень поляризации света, от чего она зависит

В 1811 году француз Доминик Франсуа Араго обнаружил отличия в оптической активности разных веществ — способности изменять направление поляризации света, прошедшего через кристалл. В 1815 году шотландец Дэвид Брюстер установил, что тангенс угла полной поляризации, известного теперь, как угол Брюстера, равен показателю преломления вещества, тем самым выведя формулу для подсчета этого угла.

Закон Брюстера:

\(\tan{\left(\alpha\right)}_{Бр}\;=\;\frac{n_2}{n_1}.\)

Луч, отраженный под углом Брюстера, полностью поляризован и всегда расположен под углом 90 градусов к преломленному лучу. Каждая точка поверхности, куда попадает волна, становится вторичным источником лучей — она провоцирует совместные осцилляции дипольных моментов в диэлектрике на молекулярном уровне. Новые волны, попадая в свободное пространство, при движении вперед создают отраженную и преломленную волну.

Под другим углом граница раздела сред не может отразить 100% света, часть его входит в состав преломленного луча, так что полная поляризация недостижима. Чтобы вычислить степень частичной поляризации, нужно воспользоваться выражением:

\(p = \frac{I_{max} — I_{min}}{I_{max} + I_{min}}.\)

\(I_{max}\) и \(I_{min}\) здесь — максимальная и минимальная интенсивность. Если свет естественный, они равны, и степень поляризации равна нулю.

Для эллиптически поляризованных лучей света понятие степени поляризации не применимо. Она всегда будет равна единице, так как колебания этих лучей полностью упорядочены. Если \(I_{min}\) равна нулю, то степень поляризации будет также равна единице, а поляризатор называется идеальным. Свет при этом будет называться плоскополяризованным.

Вопросы на тему «Поляризация света»

Вопрос 1. Что такое поляриция?

Ответ. Поляризация света — это явление выделения из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.

Вопрос 2. Приведите пример проявления поляризации в природе.

Ответ. В качестве широко распространённого случая поляризации света в природе можно считать блики на стеклянных витринах и водной поверхности.

Вопрос 3. Как люди используют феномен поляризации?

Ответ. Среди практических применений поляризации можно выделить:

• поляризационные очки;
• поляризационные фильтры в фототехнике;
• 3-D кинотеатры.

Вопрос 4. Сформулируйте закон Брюстера.

Ответ. Закон Брюстера выражает связь показателей преломления двух диэлектриков с таким углом падения света, при котором свет, отражённый от границы раздела диэлектриков, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения.

tgεB=n21

Вопрос 5. Сформулируйте закон Малюса.

Ответ. Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, прямо пропорциональна произведению интенсивности падающего плоско поляризованного света I и квадрату косинуса угла между плоскостью падающего света и плоскостью поляризатора.

I=Icos2α