Поляризованный и естественный свет. Отличие поляризованного света от естественного

Волны бывают двух видов. В продольных колебательное возмущение параллельно направлению их распространения. Примером может служить прохождение звука в воздухе. Поперечные волны состоят из возмущений, которые находятся под углом 90° к направлению перемещения. Так, например, волна, проходя горизонтально через массу воды, вызывает вертикальные колебания на ее поверхности.

Открытие явления

Ряд загадочных оптических эффектов, наблюдаемых в середине XVII века, был объяснен, когда поляризованный и естественный свет начал рассматриваться как волновой феномен и были обнаружены направления его колебаний. Первый так называемый эффект поляризации был открыт датским врачом Эразмом Бартолином в 1669 году. Ученый наблюдал двойную рефракцию, или двойное лучепреломление, в исландском шпате, или кальците (кристаллической форме карбоната кальция). Когда свет проходит через кальцит, кристалл расщепляет его, производя два изображения, смещенные относительно друг друга.

Ньютон знал об этом явлении и предположил, что, возможно, корпускулы света обладают асимметрией или «односторонностью», которая могла бы быть причиной формирования двух изображений. Гюйгенс, современник Ньютона, смог объяснить двойное преломление своей теорией элементарных волн, но он не понял истинного смысла эффекта. Двойное лучепреломление оставалось загадкой, пока Томас Юнг и физик из Франции Огюстен-Жан Френель не предположили, что световые волны являются поперечными. Простая идея позволила объяснить, что такое поляризованный и естественный свет. Это обеспечило естественную и неосложненную основу для анализа поляризационных эффектов.

Двойное лучепреломление вызвано комбинацией двух перпендикулярных поляризаций, каждая из которых обладает своей скоростью волны. Из-за разницы в скорости две составляющие имеют различные показатели преломления, и поэтому они по-разному преломляются через материал, производя два изображения.

Поляризованный и естественный свет: теория Максвелла

Френель быстро разработал комплексную модель поперечных волн, которые приводили к двойному лучепреломлению и ряду других оптических эффектов. Через сорок лет электромагнитная теория Максвелла элегантно объяснила поперечную природу света.

Электромагнитные волны Максвелла составлены из магнитных и электрических полей, колеблющихся перпендикулярно направлению перемещения. Поля находятся под углом 90° друг другу. При этом направления распространения магнитного и электрического полей образуют правую систему координат. Для волны с частотой f и длиной &lambda- (они связаны зависимостью &lambda-f = с), которая движется в положительном направлении х, поля описываются математически:

• E(x, t) = E₀cos (2&pi-x/&lambda- - 2&pi-ft)y^-
• B(x, t) = B₀cos (2&pi-x/&lambda- - 2&pi-ft)z^.

Уравнения показывают, что электрическое и магнитное поля находятся в фазе друг с другом. В любой данный момент времени они одновременно достигают своих максимальных значений в пространстве, равных Е₀ и В₀. Эти амплитуды не являются независимыми. Уравнения Максвелла показывают, что Е₀ = cB₀ для всех электромагнитных волн в вакууме.

Направления поляризации

В описании ориентации магнитного и электрического полей волны света обычно указывают только направление электрического поля. Вектор магнитного поля определяется требованием о перпендикулярности полей и их перпендикулярности к направлению движения. Естественный и линейно поляризованный свет отличаЕтся тем, что в последнем поля осциллируют в фиксированных направлениях по мере перемещения волны.

Возможны и другие состояния поляризации. В случае круговой векторы магнитного и электрического полей вращаются относительно направления распространения с постоянной амплитудой. Эллиптически поляризованный свет находится в промежуточном положении между линейной и круговой поляризациями.

Неполяризованный свет

Атомы на поверхности нагретой нити накаливания, которые генерируют электромагнитное излучение, действуют, независимо друг от друга. Каждое излучение можно приблизительно смоделировать в виде коротких цугов продолжительностью от 10^-9 до 10^-8 секунды. Электромагнитная волна, исходящая от нити накаливания, представляет собой суперпозицию этих цугов, каждый из которых имеет собственное направление поляризации. Сумма ориентированных случайным образом цугов образует волну, вектор поляризации которой изменяется быстро и беспорядочно. Такая волна называется неполяризованной. Все естественные источники света, включая Солнце, лампы накаливания, люминесцентные лампы и пламя, производят такое излучение. Однако естественный свет часто бывает частично поляризован из-за множественного рассеяния и отражения.

Таким образом, отличие поляризованного света от естественного состоит в том, что в первом колебания совершаются в одной плоскости.

Источники поляризованного излучения

Поляризованный свет может быть произведен в случаях, когда определена пространственная ориентация. Одним из примеров является синхротронное излучение, при котором высокоэнергичные заряженные частицы движутся в магнитном поле и излучают поляризованные электромагнитные волны. Существует много известных астрономических источников, излучающих естественно поляризованный свет. В их число входят туманности, остатки сверхновых и активные галактические ядра. Поляризация космического излучения изучается для того, чтобы определить свойства его источников.

Фильтр поляроид

Поляризованный и естественный свет разделяются при прохождении через ряд материалов, наиболее распространенным из которых является поляроид, созданный американским физиком Эдвином Лэндом. Фильтр состоит из длинных цепочек молекул углеводородов, ориентированных в одном направлении путем процесса термической обработки. Молекулы избирательно поглощают излучение, электрическое поле которого параллельно их ориентации. Свет, выходящий из поляроида, линейно поляризован. Его электрическое поле перпендикулярно направлению ориентации молекул. Поляроид нашел применение во многих областях, включая солнцезащитные очки и светофильтры, снижающие эффект отраженного и рассеянного света.

Естественный и поляризованный свет: закон Малюса

В 1808 году физик Этьен-Луи Малюс обнаружил, что свет, отраженный от неметаллических поверхностей, частично поляризуется. Степень этого эффекта зависит от угла падения и показателя преломления отражающего материала. В одном из крайних случаев, когда тангенс угла падения луча в воздухе равен показателю преломления отражающего материала, отраженный свет становится полностью линейно поляризованным. Это явление известно как закон Брюстера (назван так в честь его первооткрывателя, шотландского физика Дэвида Брюстера). Направление поляризации параллельно отражающей поверхности. Так как дневные блики, как правило, возникают при отражении от горизонтальных поверхностей, таких как дороги и вода, в солнечных очках часто используются фильтры, чтобы снять горизонтально поляризованный свет и, следовательно, выборочно удалить отблески света.

Рэлеевское рассеяние

Рассеяние света очень мелкими объектами, размеры которых намного меньше длины волны (так называемое рэлеевское рассеяние по имени английского ученого лорда Рэлея), также создает частичную поляризацию. Когда солнечное излучение проходит через земную атмосферу, оно рассеивается молекулами воздуха. Земли достигает рассеянный поляризованный и естественный свет. Степень его поляризации зависит от угла рассеяния. Поскольку человек не различает естественный и поляризованный свет, то этот эффект, как правило, остается незамеченным. Тем не менее глаза многих насекомых на него реагируют, и они используют относительную поляризацию рассеянного излучения как навигационный инструмент. Обычный светофильтр фотоаппарата, применяемый для уменьшения фонового излучения при ярком солнечном освещении, представляет собой простой линейный поляризатор, который разделяет естественный и поляризованный свет Рэлея.

Анизотропные материалы

Эффекты поляризации наблюдаются в оптически анизотропных материалах (в которых показатель преломления изменяется с направлением поляризации), таких как двулучепреломляющие кристаллы, некоторые биологические структуры и оптически активные материалы. Технологическое применение включает поляризационные микроскопы, жидкокристаллические дисплеи и оптические приборы, используемые для исследования материалов.