Представление о поляризации световой волны

В статье «Общие представления о свете» мы познакомились с понятием «световая волна» и ее основными характеристиками. Поляризация световых волн – ещё одна важная характеристика, описанию которой и посвящена эта статья. 

Под поляризацией световых волн понимается упорядоченность колебаний вектора:

Существует всего три основных вида упорядоченности:

- линейно поляризованная волна, 

- эллиптически поляризованная волна, 

- циркулярно[1] поляризованная волна (частный случай эллиптической поляризации).

На Иллюстрации 1 показаны траектории движения вектора напряженности электрической составляющей электромагнитного поля в пространстве и времени (в случае а – с изменением амплитуды колебаний, в случае б – без изменения).

Если колебания вектора Е происходят только в одной плоскости, как это показано на Иллюстрации 1а, свет называется плоско (или линейно) поляризованным. Он также показан на gif-анимации Иллюстрации 2.

Упорядоченность может заключаться и в том, что вектор Е поворачивается вокруг луча, одновременно колеблясь по величине. В результате конец вектора Е описывает эллипс, такой свет называется эллиптически поляризованным (на иллюстрациях не показан). Если конец вектора Е описывает окружность, как это показано на Иллюстрации 1б, свет называется поляризованным по кругу. Он также показан на gif-анимации Иллюстрации 3a и 3б.

В технической литературе можно встретить один из вариантов описания линейно поляризованных световых волн, который базируется на том, что линейно поляризованное излучение представляет собой суперпозицию (сложение) двух циркулярно поляризованных волн, амплитуды колебаний которых равны, а направления вращения – противоположны.

Кроме того, существует естественный свет (неполяризованное излучение) и всевозможные смеси или, как говорят, суперпозиция из составляющих поляризованного и неполяризованного света, образующие частично поляризованное излучение.

В световой волне естественного света колебания вектора Е происходят во всевозможных направлениях, перпендикулярных лучу, которые непрерывно меняются. Происходит это по той причине, что длительность одного акта излучения атома раскаленного тела (источника света) составляет порядка 10-8 секунд, а следующее излучение этого же атома не связано с предыдущим, тем более с излучением огромного числа других атомов излучающего тела.

Гашение и пропускание. Как это происходит?

На Иллюстрации 4 вектор напряженности электрической составляющей электромагнитного поля вектора Е  имеет произвольное положение относительно осей координат Oxи Oy. Ex и Ey – проекции вектора Е  на координатные оси. Если главная плоскость линейного поляризатора (пропускающее направление) расположена горизонтально, как это показано на Иллюстрации 4, через поляризатор пройдет не вся световая мощность волны, а только лишь часть, равная по величине проекции Ex. 

Теперь представим себе, что мы вращаем вектор Е по часовой стрелке и чем меньше угол между главной плоскостью поляризатора и направлением вектора Е, тем больше становится проекция Ex и меньше проекция Ey (см. Иллюстрацию 4б). И, соответственно, всё бо́льшее количество световой мощности проходит через поляризатор. При совпадении направлений вектора Е и главной плоскости поляризатора образуется максимум пропускания (Иллюстрация 4в). Продолжая мысленное вращение вектора Е  по часовой стрелке, мы увидим, что проекция Exстановится всё меньше и меньше, пока не станет равной нулю (когда направления вектора Е  и главной плоскости поляризатора перпендикулярны, см. Иллюстрацию 4г). При этом наступает полное гашение.

Вообще интенсивность I света на выходе линейного поляризатора в соответствии с законом Малюса равна:

где Io – интенсивность света на входе линейного поляризатора, а φ – угол между плоскостью поляризации падающего на поляризатор света и главной плоскостью поляризатора.

Задача о черном ящике

Для освоения темы «Поляризация оптического излучения» студентам обычно предлагается задача о черном ящике: есть черный ящик, из которого исходит световое излучение. С помощью поляризационных оптических элементов необходимо исследовать, какой поляризацией оно обладает.

Для решения задачи нам нужны два элемента: линейный поляризатор и фазовая пластинка λ/4 («лямбда на четыре»).

Первым устанавливаемым элементом для проведения исследований является линейный поляризатор. Если при его вращении вокруг направления распространения света возникает то полное гашение[2], то полное пропускание излучения – свет линейно поляризован. Если при его вращении не происходит изменение интенсивности прошедшего света – свет естественный либо циркулярно поляризован (и для исследования требуются дополнительные элементы). Если при вращении поляризатора свет гасится не полностью, но при этом имеет максимумы и минимумы интенсивности – свет эллиптически поляризован.

При установке вместо линейного поляризатора фазовой пластинки λ/4, циркулярно поляризованное излучение преобразуется в линейно поляризованное. Поэтому, установив за пластинкой λ/4 второй оптический элемент «линейный поляризатор» и вращая его вокруг направления распространения света, мы будем наблюдать поочередную смену полного гашения и полного пропускания. Если же интенсивность света при повороте линейного поляризатора не изменяется – излучение черного ящика неполяризованное.

[1] Другое название этого же вида поляризации – круговая поляризация (левая и правая)

[2] Смена одного состояния на другое осуществляется при повороте линейного поляризатора на 90°