Теоретическое введение

В соответствии с электромагнитной теорией света, световая волна представляет собой электромагнитную волну определенной частоты. Поэтому плоскость колебаний вектора напряженности  электрического поля световой волны перпендикулярна плоскости колебаний вектора индукции магнитного поля волны . Кроме того, оба эти вектора перпендикулярны направлению распространения световой волны, т.е. световая волна (как и любая электромагнитная волна) является поперечной.

Поперечность световых волн нарушает их осевую симметрию относительно направления распространения. Это обусловлено существованием выделенных направлений, которые связаны с напряженностью электрического и индукцией магнитного полей волны, в плоскости, перпендикулярной направлению скорости ее распространения. Таким образом, световая волна имеет поперечную анизотропию. Физической характеристикой поперечной анизотропии световых волн является их поляризация. Термин “поляризация света” имеет два аспекта: во-первых, это процесс получения поляризованного света; во-вторых, свойство световой волны, характеризующее упорядоченность ориентации векторов электрического и магнитного полей этой волны в пространстве и во времени.

Свет, излучаемый каким-либо источником, представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными направлениями колебаний светового вектора Е (рис. 2, а). Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е относительно оси распространения называется естественным (неполяризованным ). Свет, в котором наблюдается преимущественное направление колебаний вектора Е (но не исключительное!) (рис. 2, б), — частично по­ляризованный. Свет, в котором вектор Е колеблется в определенной плоскости (рис.2, в), называется поляризованным (линейно поляризо­ванным). Частично поляризованный свет представляет собой сочетание естественного и линейно поляризованного света. Под поляризацией света по­нимают выделение из естественного света световых колебаний с определенным направлением электрического вектора.

Наблюдения показывают, что причины поляризации света могут быть различными, но наиболее часто поляризация происходит в трех случаях: а) при прохождении света через некоторые кристаллы (например, турмалин); б) при отражении и преломлении света на границе раздела двух диэлектриков, в) при двойном лучепреломлении.

Оптические приборы, предназначенные для получения поляризованного света, называют поляризаторами. Поляризаторы можно использовать и для анализа поляризованного света, тогда их называют анализаторами. Действие поляризаторов основано на том, что они пропускают световые колебания лишь с определенной ориентацией вектора Е, которую называют осью п оляризатора. Плоскость колебаний вектора Е в этом случае называют плоскостью поляризатора. Причем положение этой плоскости определяется свойствами вещества, из которого изготовлен поляризатор. Поляризатор пропускает колебания вектора напряженности электрического поля световой волны только в одной плоскости. Колебания во всех других плоскостях гасятся поляризатором.

Поляризатор по своей конструкции ничем не отличается от анализато­ра. Разница в функциях: поляризатор выделяет из естественного света пу­чок с одним направлением колебаний вектора Е, а анализатор определя­ет, каково направление этих колебаний. Именно поэтому поляризаторы и анализаторы носят общее название поляроиды

Для получения поляризованного света можно воспользо­ваться поляроидной пленкой, которая состоит из имеющих сложное строение длинных молекул с выстроенными параллельными осями. Такой поляроид действует как набор параллельных щелей, почти беспрепятственно (без потерь) пропуская свет одной поляризации (соответствующее направление называется осью поляроида) и почти полностью поглощая свет, поляризованный в перпендикулярной плоскости. Если напряженность электрического поля Е колеблется вдоль осей длинных молекул, то электроны будут перемещаться вдоль молекул, совершая тем самым работу и перенося энергию. Следовательно, если вектор Е параллелен «щелям», то волна будет поглощаться. Если напряженность электрического поля Е колеблется перпендикулярно осям длин­ных молекул (т. е. перпендикулярно «щелям»), то поле Е не будет совершать работу и поглощение отсутствует. Под осью поляроида понимают направле­ние, в котором отсутствует поглощение электрического поля Е; следовательно, ось поляроида перпендикулярна длинным молекулам и «щелям» между ними.

Если пучок, плоскополяризо­ванного света, плоскость поляризации которого Р падает на поляризатор, ось которого образует угол φ с направлением поляризации, то после поляризатора он будет поляризован в плоскости Р₁, параллельной оси АА поляризатора, и иметь амплитуду, ослабленную в cosφ раз (рис. 3).

Составляющая Е _┴, перпендикулярная плоскости Р₁, поглотится поляризатором, а составляющая Е_║ пройдет через поляризатор. Поэтому амплитуда волны, прошедшей через поляризатор, будет равна:

E_║ = E₀·cosφ

где E₀ – световой вектор (напряженность электрического поля) падающей на поляризатор, линейно поляризованный волны; φ – угол между направлением колебаний вектора напряженности электрического поля падающей волны и плоскостью поляризатора.

Интенсивность световой волны пропорциональна квадрату амплитуды напряженности E², поэтому интенсивность света прошедшего через поляризатор:

,

 где I ₀ интенсивность падающего на поляризатор линейно поляризованного света. Это соотношение носит название закона Малюса, согласно которому:

Интенсивность света, прошедшего через поляризатор пропорциональна интенсивности линейно поляризованного света, падающего на поляризатор и квадрату косинуса угла между плоскостью поляризации падающего света и плоскостью поляризатора.

При падении на поляризатор естественного света, интенсивности любых двух взаимно перпендикулярных составляющих всегда будут одинаковыми, поэтому интенсивность поляризованного света I, прошедшего через поляризатор, всегда будет равна , где I ₀ – интенсивность естественного света, падающего на поляризатор.

Если вращать поляризатор вокруг луча частично поляризованного света, то интенсивность света за поляризатором будет изменятся от I _max до I _min (переход от I _max к I _min совершается при повороте на угол, равный π/2). Отношение:

называется степенью поляризации. Здесь I _max и I _min – соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого поляризатором. Для плоско поляризованного света: I _min = 0; P = 100%; для естественного света: I _max = I _min; P = 0%.