Естественный и поляризованный свет

Различные типы поляризации электромагнитных/световых волн

Как было отмечено в главе 1, вектора напряжённости электрического и магнитного полей плоской монохроматической электромагнитной волны колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению её распространения. Кроме того, было установлено, что колебания векторов напряжённостей электрического и магнитного полей плоской монохроматической электромагнитной волны поляризованы. В зависимости от характера колебаний векторов напряжённости электрического и магнитного полей плоской монохроматической электромагнитной волны поляризация волны может быть линейной, круговой и эллиптической.

В линейно поляризованной волне колебания вектора напряжённости электрического поля совершаются вдоль линии, расположенной в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. На рис. 8.1a изображена ориентация векторов напряжённости электрического и магнитного полей линейно поляризованной плоской электромагнитной волны, распространяющейся вдоль оси с колебаниями вектора под углом к оси . В этом случае электромагнитную волну называют также плоскополяризованной. Плоскость поляризации, обозначенная символом на рис. 8.1a, определяется направлением распространения волны и направлением колебаний вектора напряжённости электрического поля.

Рис. 8.1a.

В волне, поляризованной по кругу, вектор напряжённости электрического поля вращается по кругу в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, которое совпадает с осью (рис. 8.1b). Вектор напряжённости магнитного поля этой волны не изображённый на рис. 8.1b в целях его упрощения, также вращается по кругу и одновременно колеблется в направлении, перпендикулярном направлению колебаний вектора .

Рис. 8.1b.

Как следует из рис. 8.1b, плоская монохроматическая волна, поляризованная по кругу, может быть представлена в виде суммы двух плоских монохроматических когерентных волн, вектора напряжённости и которых колеблются в двух взаимно перпендикулярных направлениях с одинаковой амплитудой и имеют начальные фазы колебаний, отличающиеся на 90⁰ .

Действительно, пусть имеются две электромагнитные волны, распространяющиеся в одном направлении, в качестве которого выбрана ось OZ, одна из которых поляризована вдоль оси OX, другая - вдоль оси OY, колебания векторов напряжённости электрического поля которых определяются выражениями:

(8.1a)

где - единичные векторы в направлении осей OX и OY декартовой системы координат XYZ.

Для определения закона колебаний вектора напряжённости электрического поля электромагнитной волны, представляющей собой сумму двух волн, определяемых (8.1a), найдём угол наклона суммы векторов напряжённостей этих волн из следующего соотношения:

,

(8.1b)

Из этого выражения следует, что вектор напряжённости электрического поля электромагнитной волны , представляющей собой сумму двух волн, определяемых (8.1a), направлен под углом к оси (рис. 8.1b), изменяющимся пропорционально времени с коэффициентом пропорциональности, равным угловой частоте электромагнитной волны . Следовательно, вектор напряжённости электрического поля рассматриваемой электромагнитной волны вращается с круговой частотой вокруг направления распространения электромагнитной волны в плоскости, перпендикулярной этому направлению.

В эллиптически поляризованной волне, по мере распространения волны вектор напряжённости электрического поля перемещается по эллипсу (рис. 8.1c) в плоскости, перпендикулярной направлению волны, распространяющейся, в соответствии с рис. 8.1c, вдоль оси .

Рис. 8.1c.

Как следует из рис. 8.1c и задачи 1.2 из первой главы, плоская монохроматическая эллиптически поляризованная электромагнитная волна может быть представлена в виде суммы двух плоских монохроматических когерентных волн, вектора напряжённости электрического поля которых колеблются в двух взаимно перпендикулярных направлениях с неодинаковыми амплитудами и различными начальными фазами колебаний, неравными 0⁰,90⁰,180⁰ или 270⁰ .

Круговую или эллиптическую поляризацию электромагнитной волны называют левой, если вращение вектора напряжённости электрического поля этой волны происходит против часовой стрелки, если смотреть с направления волны. Наоборот, если вращение вектора напряжённости электрического поля этой волны происходит по часовой стрелке, если смотреть с направления волны, то поляризация электромагнитной волны называется правой.

Электромагнитные волны, излучаемые естественными источниками, как правило, являются неполяризованными. Для пояснения заметим, что излучение естественных источников можно представить как хаотическую последовательность испускания цугов электромагнитных волн отдельными атомами источника в произвольных направлениях, с произвольными начальными фазами. Колебания вектора напряжённости электрического поля результирующей электромагнитной волны ввиду этого не может иметь какого - либо определённого направления в пространстве. Упрощённое представление об электромагнитной волне, излучаемой естественным источником в некотором направлении, можно составить, если представить эту волну в виде суммы двух некогерентных волн одинаковой интенсивности, поляризованных в двух произвольно выбранных взаимно перпендикулярных направлениях.

Способы получения поляризованных электромагнитных/световых

Существует несколько способов получения из неполяризованной электромагнитной волны поляризованной. Так, в главе 3 был рассмотрен эффект Брюстера, в результате которого электромагнитная волна, отражённая от поверхности диэлектрика под углом Брюстера оказывается поляризованной перпендикулярно плоскости падения (рис. 3.9). Другой способ получения линейно поляризованного света из неполяризованного встречался в главе 3 при ознакомлении с опытами Г. Герца, в которых были установлены основные свойства электромагнитных волн. Так, в одном из этих опытов рассматривалось прохождение электромагнитной волны через экран в виде параллельных проводящих стержней, полосок или проводов (рис. 3.8c). Как следует из этого опыта, прохождение электромагнитной волны через такой экран зависит от ориентации полосок экрана по отношению к направлению колебаний вектора напряжённости электрического поля облучающей экран волны. Если полоски перпендикулярны , то электромагнитное поле практически без потерь проходит через экран. Наоборот, если полоски параллельны , то падающая на поверхность экрана электромагнитная волна практически полностью отражается от него. Таким образом, если ввести угол между направлением ориентации полосок экрана и вектором напряжённости электрического поля , то за экраном электромагнитная волна будет поляризована в направлении, перпендикулярном направлению полосок, а её амплитуда равна

.	(8.2)
Рис. 8.2a.

Из этих рассуждений следует, что экран с проводящими полосками, ориентированными в определенном направлении, можно рассматривать как физический прибор, с помощью которого из неполяризованной электромагнитной волны получается поляризованная в направлении, перпендикулярном направлению ориентации полосок. Устройства такого рода получили название поляризаторов или поляроидов. При вращении экрана с проводящими полосками интенсивность линейно поляризованной электромагнитной волны в соответствии с (8.2) будет изменяться от некоторого максимального значения, когда полоски перпендикулярны вектору напряжённости электрического поля освещающей экран электромагнитной волны, до минимального, равного нулю, когда полоски параллельны .

Характерной особенностью принципов функционирования различных видов поляризаторов является использование анизотропных сред для получения поляризованных электромагнитных волн и, в частности, света. В поляризаторе в виде проводящих полосок в экране анизотропия создаётся определённой ориентацией в пространстве проводящих полосок, изменяющих характер распространения электромагнитных волн, поляризованных перпендикулярно и параллельно направлению полосок.

В качестве естественных поляризаторов электромагнитных волн, и, в частности, света на практике широко используются кристаллы. В кристаллах из-за упорядоченного расположения атомов и молекул в пространстве при определённой симметрии возникают условия анизотропного распространения электромагнитных волн, по отношению к некоторым выделенным в пространстве направлениям. Более подробно вопросы распространения электромагнитных волн в кристаллах рассматриваются далее в этой главе.

В поляризаторах можно определить плоскость, называемую плоскостью поляризатора, обладающую тем свойством, что линейно поляризованная электромагнитная волна, вектор напряжённости электрического поля которой колеблется в плоскости, параллельной плоскости поляризатора, не изменяет своей поляризации. Кроме этого в поляризаторе имеется также плоскость, обладающую тем свойством, что линейно поляризованная электромагнитная волна, вектор напряжённости электрического поля которой колеблется параллельно этой плоскости, полностью или частично поглощается.

Для поляризаторов в виде проводящих полосок в экране плоскостью поляризатора, очевидно, является плоскость, перпендикулярная направлению полосок.

Степень поляризации электромагнитных/световых волн

Поляризаторы, в которых происходит полное поглощение электромагнитных волн, поляризованных перпендикулярно плоскости поляризатора, называют идеальными или просто поляризаторами. Если же полного поглощения нет, то поляризатор называют несовершенным.

Неполяризованная электромагнитная волна, проходящая идеальный поляризатор, превращается им в линейно поляризованную волну, плоскость колебаний вектора напряжённости электрического поля которой параллельна плоскости поляризатора. Интенсивность колебаний, полученной таким образом линейно поляризованной волны, будет в два раза меньше интенсивности неполяризованной волны, направляемой на поляризатор. Уменьшение интенсивности электромагнитной волны в два раза на выходе из поляризатора объясняется указанной выше возможностью представить неполяризованную волну в виде наложения двух некогерентных волн одинаковой интенсивности, поляризованных взаимно перпендикулярно в произвольно выбранных плоскостях. Для поляризатора в качестве одной из таких плоскостей выбирается плоскость поляризатора. Тогда через поляризатор пройдёт волна, поляризованная параллельно этой плоскости. Волна, поляризованная перпендикулярно плоскости поляризатора, будет поглощена. В силу сказанного выше интенсивность вышедшей из поляризатора линейно поляризованной волны оказывается в два раза меньше интенсивности волны неполяризованной.

Неполяризованная электромагнитная волна, проходящая несовершенный поляризатор, не является полностью линейно поляризованной волной. В Электромагнитные волны, в которых колебания вектора напряжённости электрического поля в определённом направлении преобладают над колебаниями, совершаемых в других направлениях, называются частично поляризованными. Частично поляризованные электромагнитные волны возникают на практике не только после прохождения ими несовершенных поляризаторов, но и в результате их распространения в средах, содержащих неоднородности.

Состояние поляризации произвольной электромагнитной волны задаётся степенью поляризации . Для определения степени поляризации электромагнитной волы её пропускают через поляризатор, в котором можно менять ориентацию плоскости поляризатора, например, с помощью поворота поляризатора относительно направления распространения исследуемой электромагнитной волны. В двух взаимно ортогональных ориентациях плоскости поляризатора будут дважды отмечены максимальное и минимальное значение интенсивности проходящей поляризатор электромагнитной волны. Измеренные таким образом максимальное и минимальное значения интенсивности электромагнитной волны, прошедшей через поляризатор при различных ориентациях его плоскости, определяют степень поляризации электромагнитной волны с помощью следующего выражения:

.

(8.3)

Для линейно поляризованного света , поскольку . Для неполяризованного света , поскольку .

Волны с круговой и эллиптической поляризацией полностью поляризованы. Для определения их степени поляризации также может быть использована формула (8.3). Однако, для наблюдения максимума и минимума интенсивности таких волн, проходящих через поляризатор, должен быть использован соответствующий поляризатор, благодаря конструкции которого свободно пропускающего волну, поляризованную для определенности по левому кругу, и не пропускающего волну, поляризованную по правому кругу. В качестве таких поляризаторов можно представить экран заполненных проводящими спиралями, имеющими правую намотку (рис. 8.2b).

Рис. 8.2b.

Электромагнитная волна, поляризованная по левому кругу, свободно проходит через такой экран, а волна, поляризованная по правому кругу, не проходит. Для наблюдения минимума интенсивности электромагнитной волны, поляризованной по левому кругу, необходимо повернуть экран со спиралями на 180⁰ вокруг его вертикальной оси симметрии (рис. 8.2b).

Дата добавления: 2015-07-18