Глава 25 Поляризация света § 190. Естественный и поляризованный свет

Следствием теории Максвелла (см. § 162) является поперечность световых волн: векторы напряженностей электрического Еи магнитногоНполей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости vраспространения волны (перпендикулярно лучу). Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительносветового вектора— вектора напряженностиЕэлектрического поля (это название обусловлено тем, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества).

Свет 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 колебаниями светового вектора (рис. 272, а;луч перпендикулярен плоскости рисунка). В данном случае равномерное распределение векторовЕобъясняется боль­шим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторовЕ— одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектораЕ(и, следовательно,Н) называетсяестественным.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное!) направление коле­баний вектораЕ(рис. 272,б), то имеем дело счастично поляризованным светом. Свет, в котором векторЕ(и, следовательно,Н) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 272,в), называетсяплоскополяризованным(линейно поляризованным).

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоско­стью поляризации. Плоскополяризованный свет является предельным случаемэллиптически поляризованного света— света, для которого векторЕ(векторН) изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпен­дикулярной лучу. Если эллипс поляризации вырождается (см. § 145) в прямую (при разности фаз,равной нулю или), то имеем дело с рассмотренным выше плоскополяризованным светом, если в окружность (при = ±/2 и равенстве амплитуд склады­ваемых волн), то имеем дело сциркулярно поляризованным(поляризованным по кругу)светом.

Степенью поляризацииназывается величина

где I_max, иI_min— соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором. Для естественного светаI_max=I_min и Р=0, для плоскополяризованного I_min =0иР=1.

Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя так называемые поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направле­ния (например, пропускающие колебания, параллельные главной плоскости поляриза­тора, и полностью задерживающие колебания, перпендикулярные этой плоскости). В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в отношении колебаний вектораЕ, например кристаллы (их анизотропия известна, см. § 70). Из природных кристаллов, давно используемых в качестве поляризатора, следует от­метить турмалин.

Рассмотрим классические опыты с турмалином (рис. 273). Направим естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина T₁, вырезанной параллельно так называ­емойоптической осиОО'(см. § 192). Вращая кристалл T₁ вокруг направления луча, никаких изменений интенсивности прошедшего через турмалин света не наблюдаем. Если на пути луча поставить вторую пластинку турмалинаT₂и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла к между оптическими осями кристаллов по законуМалюса*:

(190.1)

где I₀иI— соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него.

* Э. Малюс (1775—1812) — французский физик.

Следовательно, интенсивность прошедшего через пластинки света изменится от минимума (полное гашение света) при =/2 (оптические оси пластинок перпендикулярны) да максимума при=0(оптические оси пластинок парал­лельны). Однако, как это следует из рис. 274, амплитудаЕсветовых колебаний, прошедших через пластинкуТ₂, будет меньше амплитуды световых колебанийЕ₀, падающих на пластинку T₂.

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды, то и получается выражение (190.1).

Результаты опытов с кристаллами турмалина объясняются довольно просто, если исходить из изложенных выше условий пропускания света поляризатором. Первая пластинка турмалина пропускает колебания только определенного направления (на рис. 273 это направление показано стрелкой AВ),т. е. преобразует естественный свет в плоскополяризованный. Вторая же пластинка турмалина в зависимости от ее ориен­тации из поляризованного света пропускает большую или меньшую его часть, которая соответствует компонентуЕ, параллельному оси второго турмалина. На рис. 273 обе пластинки расположены так, что направления пропускаемых ими колебанийАВ и А'В' перпендикулярны друг другу. В данном случаеТ₁пропускает колебания, направленные поАВ,аТ₂ их полностью гасит, т.е. за вторую пластинку турмалина свет не проходит.

Пластинка Т₁,преобразующая естественный свет в плоскополяризованный, являет­ся поляризатором.ПластинкаТ₂, служащая для анализа степени поляризации света, называетсяанализатором. Обе пластинки совершенно одинаковы (их можно поменять местами).

Если пропустить естественный свет через два поляризатора, главные плоскости которых образуют угол , то из первого выйдет плоскополяризованный свет, интенсив­ность которогоI₀=¹/₂I_ест, из второго, согласно (190.1), выйдет свет интенсивностьюI=I₀cos² . Следовательно, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора,

откуда I₀=¹/₂I_ест(поляризаторы параллельны) иI_min = 0 (поляризаторы скрещены).