Естественный и поляризованный свет. Для электромагнитной волны, распространяющейся в свободном пространстве, ориентация вектора напряженности в плоскости

Для электромагнитной волны, распространяющейся в свободном пространстве, ориентация вектора напряженности в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, может либо хаотически изменяться во времени, либо быть каким-либо образом упорядоченной. В первом случае волна называется неполяризованной (естественный свет). Если же положение вектора напряженности в пространстве упорядочено, то волна называется поляризованной.

Различают три основных вида поляризации электромагнитных волн: линейную, круговую и эллиптическую. Если колебания вектора происходят в одной плоскости, то волна называется линейно-поляризованной, а плоскость, образованная вектором и направлением распространения волны, называется плоскостью поляризации. На рисунке 39.1 изображена линейно-поляризованная волна, у которой плоскость поляризации совпадает с плоскостью .

Пусть электромагнитная волна представляет собой суперпозицию двух линейно-поляризованных волн с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, причем эти волны имеют одинаковую частоту , постоянную разность фаз и распространяются в одном направлении (например, вдоль оси ), т. е. ; . Тогда в произвольной плоскости вектор напряженности результирующей волны будет иметь проекции

(65.1)

Данная пара уравнений представляет собой уравнение эллипса в параметрической форме, следовательно, конец вектора напряженности результирующей волны описывает в плоскости эллипс (рис. 65.1, а). Такая электромагнитная волна называется эллиптически-поляризованной. В зависимости от направления вращения вектора различают правую и левую поляризации волн. Если, глядя по направлению распространения волны, вектор вращается против часовой стрелки, то такая поляризация называется правой, а если вращение вектора происходит по часовой стрелке, то левой.

Эллиптически-поляризованная волна может быть представлена в виде суперпозиции двух линейно-поляризованных волн с перпендикулярными плоскостями поляризации.

Если в уравнениях (65.1) , где – целое число и при этом , то эллипс превращается в окружность и волна называется поляризованной по кругу (рис. 65.1, б). Волну с круговой поляризацией также можно представить в виде двух линейно-поляризованных волн с равными амплитудами, разностью фаз и перпендикулярными плоскостями поляризации. В свою очередь, линейно-поляризованную волну можно представить в виде суперпозиции двух волн с круговой поляризацией, причем одна имеет правую, а другая – левую поляризацию.

При излучении света нагретыми телами (тепловое излучение) каждый атом испускает квант поляризованного света (волновой цуг). Квантовая механика показывает, что каждый такой квант может быть либо линейно-поляризованным, либо поляризованным по кругу. Однако тепловое излучение макроскопических тел, состоящих из большого числа атомов или молекул, не является поляризованным. Это происходит потому, что различные атомы излучают независимо друг от друга и положение плоскости поляризации меняется хаотически без какой-либо упорядоченности. Такой свет называется естественным. Если свет представляет собой смесь поляризованного и естественного света, то он называется частично поляризованным.

Многие вещества с упорядоченной структурой (кристаллы, кроме кубических; жидкие и молекулярные кристаллы; некоторые органические вещества, имеющие вытянутые ориентированные молекулы) обладают поляризованной люминесценцией. Исследование поляризованной люминесценции дает информацию о структуре вещества и является одним из методов физического исследования. Можно сказать, что поляризация света обусловлена оптической анизотропией вещества (т. е. различием оптических свойств по разным направлениям в пространстве). Анизотропия оптических свойств может быть создана искусственно, например механическим воздействием на вещество или с помощью электрического и магнитного полей, и это приведет к поляризации люминесценции или поглощения света веществом.

Оптические элементы, которые пропускают свет с определенной плоскостью поляризации, называются поляризаторами. С их помощью можно получать поляризованный свет из естественного. Наиболее широко применяются дихроичные и призменные поляризаторы. В первых используется явление дихроизма – зависимость пропускания света веществом от положения плоскости поляризации. Дихроизмом обладают некоторые полимерные материалы, молекулы которых имеют сложную вытянутую форму (например, молекулы поливинилового спирта). Пленку из такого полимера в нагретом размягченном состоянии подвергают сильному механическому растяжению в определенном направлении. При этом происходит ориентация молекул и пленка становится анизотропной. Если через такую пленку пропустить естественный свет, то после пленки он превратится в линейно-поляризованный. Призменные поляризаторы изготавливают из анизотропных кристаллов, и принцип их работы будет рассмотрен ниже.