Закон Малюса.

Н.В.Витюк

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Учебное пособие

Методическое пособие составил кандидат физико-математических наук Витюк Николай Васильевич - профессор кафедры физики Одесского национального морского университета.

Рецензент – профессор, доктор технических наук Цымарный Валентин Александрович.

Методическое пособие одобрено кафедрой физики ОНМУ 19 мая 2010 г. (протокол N9).

Естественный и поляризованный свет.

Закон Малюса.

Поляризация света - одно из фундаментальных свойств оптического излучения (света), состоящее в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны).

Одним из важнейших следствий уравнении Максвелла следует является существование поперечных электромагнитных волн. Поперечность световой волны выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряженности электрического поля Е и напряженности магнитного поля Н перпендикулярны вектору v скорости распространения волны, причем векторы Е, Н и v образуют правовинтовую систему. Обычно для описания состояния поляризации света требуется знать поведение лишь вектора Е. Вектор напряженности Е электрического поля называют световым вектором, поскольку при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества.

Свет, в котором направления светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным (рис.1,а). Световой импульс, испускаемый каким-либо отдельно взятым элементарным излучателем (атомом, молекулой) в единичном акте излучения, всегда поляризован полностью. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа частиц-излучателей. Пространственные ориентации векторов Е (и моменты актов излучения) световых импульсов отдельных частиц в большинстве случаев распределены хаотически. Излучение со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (и следовательно, вектора Н) называется неполяризованным (естественным) светом (рис.1,б). Если в результате каких-либо воздействий появляется преимущественное направление колебаний вектора Е, то имеем дело с частично поляризованным светом (рис.1,в).

Рис.1

Степенью поляризации называется величина

Р = (I_max – I_min)/(I_max – I_min)

где I_max и I_min – соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, проходящего через некоторую оптически прозрачную среду. Для естественного света I_max = I_min, Р = 0, для плоскополяризованного света I_max = 1, I_min = 0, Р =1.

Как правило, полностью поляризованным является излучение лазеров. При этом существенным фактором является специфический характер вынужденного излучения, при котором поляризации испускаемого фотона и фотона, вызвавшего акт испускания, абсолютно тождественны. Таким образом, при лавинообразном умножении числа испускаемых фотонов в активной среде лазера поляризации таких фотонов оказываются совершенно одинаковыми.

К частичной (а иногда и полной) поляризации света приводит множество физических процессов. К ним относятся отражение света и преломление света, при которых поляризация света обусловлена различием оптических характеристик границы раздела двух сред для компонентов светового пучка, поляризованных параллельно и перпендикулярно плоскости падения.

Свет может поляризоваться при прохождении через среды, обладающие естественной или вызванной внешними воздействиями (индуцированной) оптической анизотропией.

Термин анизотропия (образованный от греческих слов anisos - неравный и tropos – направление) означает неодинаковость физических свойств среды по всем направлениям (в противоположность изотропии). У кристаллов большинство физических свойств анизотропно. Оптическая анизотропия рассматривается как различие оптических свойств среды в зависимости от направления распространения в ней оптического излучения (света) и состояния поляризации этого излучения.

Естественный свет можно преобразовать в поляризованный, используя так называемые поляроиды (кристаллы, например, турмалин) пропускающие колебания вектора Е в определенной плоскости и полностью задерживающие колебания, перпендикулярные этой плоскости.

Рассмотрим классический опыт с двумя поляроидами - кристаллами турмалина (рис.2). Ближайший к источнику естественного света поляроид Т ₁ назовем поляризатором, а следующий поляроид Т ₂ – анализатором (термины поляризатор и анализатор характеризуют расположение двух одинаковых анизотропных кристаллов – поляроидов - относительно источника света и глаза наблюдателя).

Рис.2.

Направим естественный свет перпендикулярно поляризатору Т ₁ вырезанному параллельно так называемой оптической оси 00′ кристалла. Вращая поляризатор вокруг направления луча, никаких изменений интенсивности прошедшего через турмалин света зрительно не наблюдаем, так как человеческий глаз не чувствителен к поляризации света. Если же на пути луча поставить вторую пластинку турмалина Т ₂ (анализатор) и вращать её вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через два кристалла, меняется в зависимости от угла α между оптическими осями кристаллов поляризатора и анализатора по закону Малюса:

I = I _o cos ²α,

где I _o и I - соответственно интенсивности света, падающего на анализатор и вышедшего из него. Другими словами, интенсивность света прошедшего через анализатор пропорциональна квадрату косинуса угла между оптическими осями поляризатора и анализатора.

Если пропустить естественный свет через два поляроида, оптические оси которых образуют угол α, то из первого выйдет поляризованный свет, интенсивность которого I _o= I _ест/2, а из второго поляроида, согласно закону Малюса, выйдет свет интенсивностью

I = I _o cos ²α.

Следовательно, интенсивность света прошедшего через два поляризатора равна

I =¹/₂ I _o cos ²α.

Таким образом, интенсивность света прошедшего через поляризатор и анализатор меняется от минимума (полное гашение света) когда оптические оси поляризатора и анализатора перпендикулярны (α=90^о) до максимума, когда оптические оси поляризаторов параллельны (α=0^о).

Дата добавления: 2015-10-28