Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса

Возникнув в каком-либо месте пространства, переменное электрическое поле, благодаря электромагнитной индукции вызывает появление переменного магнитного поля в этой же области пространства и близлежащих областях. Последнее вызывает, в свою очередь, появление переменного электрического поля и т.д. Таким образом, возникнув в каком-либо месте, переменное электромагнитное поле передается от одной точки пространства к другой с определенной скоростью.

Этот процесс распространения переменного электромагнитного поля в свободном пространстве с конечной скоростью с = 3·10⁸ м/с (скоростью света в вакууме) называется электромагнитной волной.

Весь спектр электромагнитных волн делится (весьма условно) на ряд областей (рис.1).

Рис.1

Радиоволны, свет, рентгеновское и гамма излучения представляют собой электромагнитные волны с различной длиной волны . Диапазон радиоволн простирается от длинных ДВ( - км) до ультракоротких УКВ и СВЧ волн ( - мм). Оптический диапазон (рис.1) включает инфракрасные (ИК) волны, видимый свет (400 < < 750 нм) и ультрафиолетовые (УФ) волны. За оптическим диапазоном находятся рентгеновские и γ - лучи.

Световые волны (как и любые другие электромагнитные волн) поперечны. Поперечность световых волн выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряженности электрического поля Е и напряженности магнитного поля Н перпендикулярны направлению распространения волны. Кроме того, Е и Н (за некоторыми исключениями) взаимно перпендикулярны (рис.2).

Рис.2

Если при рас­пространении световой волны направление колебаний вектора напряженности электрического поля Е (а следовательно и вектора напряженности магнитного поля Н) фиксированы строго в одном на­правлении, то свет называется линейно поляризованным (или плоско поляризованным). В этом случае изменения вектора Е (и, соответственно, Н) происходят всегда в одной и той же плоскости, называемой плоскостью поляризации света. Пример линейно поляризованной волны приведен на рис.2. Плоскость, образованная направлением распространения волны (осью x) и направлением изменения вектора Е, называется плоскостью поляризации света.

Если при рас­пространении световой волны направление колебаний вектора напряженности электрического поля Е хаотически изменяется, т. е. лю­бое его направление в плоскости, перпендикулярной к распространению волны, равновероятно, то такой свет называется неполяризованным, или естественным.

Частично поляризованный свет характеризуется тем, что в нем имеется преимущественное направление коле­баний электрического вектора, поэтому частично поля­ризованный свет можно рассматривать как смесь линей­но поляризованного и естественного света.

Оптическое устройство, которое преобразует проходящий через него естественный свет в поляризованный, называется поляризатором. В качестве поляризаторов используются поляризационные призмы, дихроичные поляризаторы и пленочные поляризаторы (поляроиды). Поляризатор свободно пропускает колебания вектора Е, параллельные плоскости, называемой плоскостью поляризатора, и полностью задерживают колебания вектора Е, перпендикулярные к его плоскости.

Поляризатор, используемый для определения плоскости поляризации света, называется анализатором.

Пусть колебания вектора Е поляризованной световой волны совершаются в плоскости, составляющей угол с главной плос­костью анализатора (рис.3).

Рис. 3

Амплитуду этих колебаний можно разло­жить на две взаимно перпендикулярные составляющие: совпадающую с главной плоскостью анализатора - Е₁ и перпендикулярную ей - Е₂:

Е₁ = Е ∙ cos φ; Е₁ = Е ∙ sin φ. (1)

Первая составляющая амплитуды колебаний Е₁ пройдет через анализатор, вторая - Е₂ - будет задержана им. Так как интенсивность света пропорциональ­на квадрату амплитуды колебаний вектора напряженности электрического поля, следовательно, интенсивность света, прошедшего через анализатор, пропорциональна (Е₁)² = Е² ∙ cos² φ и равна:

, (2)

где I₀ - интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор; — угол между плоскостью поляризации падающего света и плоскостью анализатора. Соотношение (2) называется законом Малюса.

Если плоскости поляризатора, формирующего линейно поляризованный свет, и анализатора параллельны, ,.., т. е. , то экран, помещенный за анализатором, будет максимально освещен.

Если ,…, т.е. (главные плоскости поляризатора и анализатора взаимно перпендикулярны, или скрещены), то экран будет темным.

При пропускании через анализатор частично поляризованного света при вращении главной плоскости анализатора интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах от максимального значения I_max до минимального I_min. Переход от одного из этих значений к другому будет совершаться при повороте на угол, равный π/2 (за один полный поворот два раза будет достигаться максимальное и два раза минимальное значение интенсивности). Выражение

(3)

определяет степень поляризации света. Для линейно поляризованного света I_min = 0 и Р = 1; для естественного света I_max = I_min и Р = 0; для частично поляризованного света I_max > I_min, I_min >0, 0 < Р < 1.