Что показывает степень поляризации

Степень поляризации света

Поляризация — это явление направленного колебания векторов напряженности в электромагнитной волне. Возникает только в поперечных волнах.

Поляризация возникает при распространении волн в анизотропных средах (кристаллах), при отражении и преломлении волн на границе раздела сред. Явление было открыто Христианом Гюйгенсом в 1678 году, термин введен французским ученым Этьеном Луи Малюсом в 1808 году.

В начале XIX столетия утверждение, что свет — это электромагнитная волна, а не упругое возмущение эфира, казалось нелепым, но позже было доказано, что свет — это гармонические колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся в пространстве.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Электромагнитные волны почти всегда обладают свойствами поперечных волн, поскольку вектора напряженности в них колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Продольными электромагнитные волны бывают только в сильно диспергирующих средах.

Свет от естественных источников обычно не поляризован: он является смесью пакетов волн со всевозможными направлениями поляризации, и потому через поляризатор, независимо от угла его поворота, всегда проходит примерно одинаковое количество лучей. А вот излучение лазера, как правило, линейно поляризовано, даже если это маленькая лазерная указка.

Поляризация бывает круговой, эллиптической и линейной — в зависимости от формы кривой, вычерчиваемой концом вектора амплитуды. Если направление вектора \(\overrightarrow Е\) неизменно, волна называется линейно поляризованной, а линия, вдоль которой он колеблется, — направлением поляризации. Плоскость, в которой кроме вектора \(\overrightarrow Е\) лежит еще вектор скорости волны, называется плоскостью поляризации.

Если же направление вектора \(\overrightarrow Е\) изменяется, и он вращается вокруг вектора скорости волны, то поляризация называется круговой. В данном случае проекциями вектора \(\overrightarrow Е\) на две взаимно перпендикулярные оси будут самостоятельные гармонические волны: одна из них отстает от другой на четверть длины волны.

Можно сказать, что круговая поляризация — результат сложения двух линейно поляризованных волн. Если же складываются две волны круговой поляризации, у которых векторы \(\overrightarrow Е\) вращаются в противоположных направлениях, получается линейно поляризованная волна.

В самом общем случае вектор \(\overrightarrow Е\) при вращении периодически изменяет свою длину. Такая поляризация называется эллиптической, круговая и линейная поляризация — ее частные случаи. Круговая или эллиптическая поляризация может быть правой или левой, что определяется направлением вращения вектора.

Чтобы описать поляризацию волны, компоненты вектора напряженности выражают с помощью параметров Стокса, интерпретируя их, как координаты точек, расположенных на сфере, называемой сферой Пуанкаре.

Как получить поляризованный свет

В 1808 году французский физик Этьен Луи Малюс случайно посмотрел на отражение заходящего солнца в окне Люксембургского дворца через пластинку исландского шпата, которую постоянно носил с собой. Яркость света при повороте пластинки изменялась. Проделав той же ночью опыты с отражением света от стекла и поверхности воды, он убедился, что отраженный свет действительно гасится, проходя через кристалл.

Малюс сделал вывод, что корпускулы света, как и магнит, имеют полюса, а наблюдаемое явление назвал поляризацией. Он обнаружил также, что лучи, прошедшие через кристалл исландского шпата, полностью поляризованы, а следовательно, полностью гасятся поворотом анализатора — второй пластинки исландского шпата, через которую ведется наблюдение.

Через некоторое время, исследуя проявления поляризации, Огюстен Френель понял, что их можно объяснить, только приняв предположение о поперечном характере световых волн. Теоретические рассуждения о том, как волны огибают препятствия, Френель заменил доказательством интерференции вторичных волн.

Интерференция света — это перераспределение интенсивности световых волн, происходящее благодаря их наложению друг на друга.

Приборы для получения поляризованного света называют поляризаторами, но если с помощью такого прибора измеряются физические параметры исследуемого света, то тот же самый прибор будет называться анализатором.

В первое время проведение экспериментов по изучению поляризации было связано с большими сложностями. Для подобных исследований прежде всего необходим анализатор, т. е. поляризатор, который выделяет свет с определенной поляризацией.

Вначале анализатором служил кристалл исландского шпата, но он давал два пучка одновременно. Поэтому приходилось или ограничиваться изучением тонких пучков, чтобы по-разному поляризованные лучи не накладывались друг на друга, или искать кристаллы большого размера и превосходного качества, без дефектов.

Позже выяснилось, что поляризованный в одном направлении свет можно получить при отражении под определенным углом, названным углом Брюстера. Это позволило работать с широкими световыми пучками, но при исследовании их поляризации путем поворота анализатора, отраженный луч смещался.

В 1816 году французский физик Жан Батист Био обнаружил, что кристалл турмалина обладает двойным лучепреломлением, но обыкновенный луч в нем поглощается гораздо сильнее, чем необыкновенный. Для выделения луча с определенной поляризацией сегодня широко применяют поляроиды — прозрачные тонкие пленки, которым присуще аналогичное свойство.

Самый известный анализатор изобрел в 1828 году шотландец Уильям Николь. Призма Николя изготовляется из распиленного и снова склеенного кристалла исландского шпата. Обыкновенный луч отражается от распила и отводится в сторону, остается только необыкновенный.

Что такое степень поляризации света, от чего она зависит

В 1811 году француз Доминик Франсуа Араго обнаружил отличия в оптической активности разных веществ — способности изменять направление поляризации света, прошедшего через кристалл. В 1815 году шотландец Дэвид Брюстер установил, что тангенс угла полной поляризации, известного теперь, как угол Брюстера, равен показателю преломления вещества, тем самым выведя формулу для подсчета этого угла.

Луч, отраженный под углом Брюстера, полностью поляризован и всегда расположен под углом 90 градусов к преломленному лучу. Каждая точка поверхности, куда попадает волна, становится вторичным источником лучей — она провоцирует совместные осцилляции дипольных моментов в диэлектрике на молекулярном уровне. Новые волны, попадая в свободное пространство, при движении вперед создают отраженную и преломленную волну.

Под другим углом граница раздела сред не может отразить 100% света, часть его входит в состав преломленного луча, так что полная поляризация недостижима. Чтобы вычислить степень частичной поляризации, нужно воспользоваться выражением:

\(I_\) и \(I_\) здесь — максимальная и минимальная интенсивность. Если свет естественный, они равны, и степень поляризации равна нулю.

Для эллиптически поляризованных лучей света понятие степени поляризации не применимо. Она всегда будет равна единице, так как колебания этих лучей полностью упорядочены. Если \(I_\) равна нулю, то степень поляризации будет также равна единице, а поляризатор называется идеальным. Свет при этом будет называться плоскополяризованным.

Закон Малюса

В 1810 году Малюс установил закон: интенсивность луча, прошедшего через анализатор, пропорциональна квадрату косинуса угла поворота анализатора относительно положения максимального пропускания им света. Обыкновенный луч оказался поляризован перпендикулярно необыкновенному.

Кроме того, Малюс продемонстрировал, что луч полностью поляризуется при отражении от поверхности тела под определенным углом, и величина этого угла зависит от свойств вещества.

В каких сферах деятельности применяется поляризация света

Поляризация применяется для создания разных оптических эффектов, например, на ее основе созданы такие технологии, как поляризационная голография и кинематограф IMAX.

Голография — способ записи оптической информации в объемном виде, с сохранением многоракурсности и глубины пространства.

С помощью поляризации можно разделить изображение для правого и левого глаза, а также создать стереоизображения, как в технологиях RealD и MasterImage.

В некоторых случаях необходимо избавиться от слабой естественной поляризации, проявляющейся в бликах на отражающих поверхностях. Для этого существуют специальные поляризационные очки и фильтры для фотографирования.

Физики-оптики продолжают изучать оптические явления, и поляризационные устройства помогают им управлять световыми потоками и измерять их физические параметры. Управлять световыми потоками нужно и светотехникам, которые используют с этой целью специальные устройства — поляроиды.

Поляризованный свет

Поляризованным называется свет, амплитуды колебаний которого по разным направлениям различны. В кристаллооптике ис-пользуется линейно поляризованный свет, в котором все колебания совершаются в одном направлении, тогда как по другим направлениям они равны нулю (рис. 13, б).
Степень поляризации может быть различной и, если свет не полностью поляризован, то говорят о частично поляризованном свете. Частично поляризованным (в той или иной степени) свет становится при прохождении через любую среду, отличную от воздуха (стекло, воду, кристаллы и др.), а также при отражении от этой среды. Протокол разногласий к государственному контракту и его особенности при составлении, вы сможете найти на сайте jurist-centre.ru компании «Юридическое обслуживание». Также же не выходя из офиса вы можете обратится к юристу компании через интернет или заказать обратный звонок.

Степень поляризации выражается в процентах и очень зависит от вещества (его внутренне структуры), через которое проходит и от которого отражается свет. Также сильно степень поляризации зависит от угла падения. При изменении угла падения степень поляризации изменяется. Существует некоторый угол падения (П), при котором свет становится полностью поляризованным. Этот угол называется углом поляризации. Существует зависимость угла поляризации от показателя преломления среды tg П = n. Это соотношение отвечает условию, когда отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (рис. 14). Это видно из следующей формулы: n = tg П * , которая является математическим выражением закона Брюстера.

Далее n = (закон преломления). Отсюда sin r = cos П, т. е. П + r = 90º. Для стекол, у которых n = 1,5, угол поляризации (П) равен 56º. На этом свойстве света были основаны первые простейшие уст-ройства для поляризации света – поляризаторы. Например, простейшим поляризатором служил кристалл турмалина или стеклянная стопа (с тонкими прослойками воздуха между пластинками), через которую пропускали свет (поляризованным оказывался преломленный луч), или зеркало из черного стекла, которое ставили под углом поляризации к падающему на него свету (поляризованным оказывался от-раженный луч). Для таких приборов требуется очень сильное освещение, т. к. вследствие многократного отражения теряется значительная часть света. Поэтому в настоящее время эти устройства не применяются.
В изотропной среде полной поляризации для преломленного луча нельзя добиться ни при каких условиях. Здесь преломленный луч мо-жет быть только максимально поляризованным при угле падения, равном углу поляризации (П), но это будет далеко не стопроцентная поля-ризация.
В анизотропных средах (во всех кристаллах низших и средних сингоний) происходит полная поляризация света. Однако такие кри-сталлы обладают двупреломлением. При этом, как мы уже говорили, световой луч, при прохождении через кристаллическое вещество, распадается на два луча (обыкновенный и необыкновенный), которые проходят через кристалл с различной скоростью. Но обе эти волны будут полностью поляризованными во взаимно перпендикулярных направлениях. На этом свойстве основаны современные поляризаторы.
Поляризаторы
Первым поляризатором, получившим широкое признание, была призма Николя (1828 г.) или просто николь.
Николь был приготовлен из удлиненной спайной выколки исландского шпата (кальцита), в котором пропорции длинного и короткого ребра были 1:3,5.
Эта выколка распиливалась по диагонали, а затем склеивалась особым веществом – канадским бальзамом, которое представляет собой изотропное вещество – смолу канадской или сибирской пихты.

Проследим ход лучей через николь. Луч света, входя в призму, распадается на два луча – о и е (обыкновенный и необыкновенный), которые идут с различной скоростью через исландский шпат и доходят до прослойки канадского бальзама (рис. 15). Волны имеют различные скорости прохождения через кальцит, поскольку показатели преломления кальцита для них различны. Показатель преломления исландского шпата для обыкновенной волны no = 1,658, а для необыкновенной волны (если свет идет перпендикулярно к оптической оси) no = 1,486.
Дальше происходит очень интересное явление.
Как только две волны подходят к прослойке канадского бальзама, показатель преломления которого приблизительно равен 1,54 (это изотропная среда), только луч е проходит через эту прослойку и выходит из прибора, т. к. показатель преломления кальцита для волны е меньше показателя преломления канадского бальзама.
Обыкновенная волна, для которой показатель преломления кальцита гораздо больше показателя преломления канадского бальзама, испытывает полное внутреннее отражение. Отраженный луч обычно поглощается черной оправой, в которую заключен прибор. Главный недостаток призмы николя – малый угол зрения, равный 29º.
Призмами Николя в настоящее время не пользуются. Сейчас в устройстве поляризационных приборов используют другие поляризаторы, имеющие значительно больший угол поля зрения, в том числе и поляроиды. Поляроид изобрел в 1928 г. Э. Лэнд, использовав син-тезированные в 1851 г. В. Герапатом кристаллики соединений йода с сернокислым хинином. Эти кристаллики обладают свойством погло-щать лучи е, тогда как лучи о проходят через них беспрепятственно. Однако малые (субмикроскопические) размеры этих кристаллов не позволили В. Герапату их использовать. Э. Ленд нашел оригинальное решение, позволяющее пользоваться особыми свойствами этих кристаллов. Он кристаллизовал эти соединения в вязкой среде (желатине) таким образом, что все зерна были ориентированны одинаково и плотно прилегали друг к другу. Таким образом, поляроид – это тонкая же-латиновая пленка, которая обладает всеми свойствами поляризаторов. За счет сравнительной простоты их изготовления, большого поля зрения (120º), различных размеров и небольшой толщины поляроиды прочно завоевали лидирующее место среди поляризаторов.
Прохождение поляризованного света через поляризатор
Рассмотрим, что происходит с поляризованным лучом света, который падает на поляризатор.
Мы знаем, что, проходя через поляризатор, световые колебания приобретают одно направление. Другими словами, поляризатор – это своего рода фильтр, который пропускает только те световые лучи, ко-лебания которых совершаются в одном определенном (заданном поляризатором) направлении. Все остальные лучи, колебания которых не соответствуют направлению колебаний, заданному поляризатором, просто не могут через него пройти. Так что же произойдет с уже поля-ризованным светом, который мы захотим опять пропустить через поляризатор? Необходимо вспомнить, что колебания преломленного луча совершаются в плоскости падения, а отраженного – перпендикулярно к этой плоскости, а также вспомнить закон Малюса.
Этот закон говорит о том, что амплитуда колебаний луча, пропущенного вторым поляризатором, равна амплитуде колебаний луча, пропущенного первым поляризатором, умноженной на косинус угла между направлениями колебаний обоих лучей (рис. 16).

Если заменить амплитуду интенсивностью света, получим:
I1 = I0 cos2 α.
Это выражение и называется законом Малюса.
В частных случаях при α = 0º или α = 180º I1 = I0, (интенсивность света не изменяется, т.к. cos2 α = 1 и ОА = ОР); при α =90º cos2α = 0 (интенсивность света будет нулевой):
ОА = ОР cos 90˚ = 0.
Обобщив вышесказанное, отметим, что при прохождении поляри-зованного света через поляризатор могут возникнуть три случая:
1) когда направление колебаний поляризованного света совпадает с направлением колебаний в поляризаторе, то поляризованный свет пройдет через поляризатор без изменения
2) когда направление колебаний поляризованного света не совпадает с направлением колебаний в поляризаторе (находится к нему под неким углом, не равным 90º), то поляризованный свет выйдет из поляризатора в ослабленном виде;
3) когда направление колебаний поляризованного света образует с направлением колебаний в поляризаторе 90º, то из поляризатора свет не выйдет;

Степень поляризации и закон Малюса

Если пропустить частично поляризованный свет через поляризатор, то при вращении прибора вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах от I_max до I_min, причем 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).

Степень поляризации

Степень поляризации (степень выделения световых волн с определенной ориентацией электрического (и магнитного) вектора) зависит от угла падения лучей и показателя преломления.

называется степенью поляризации. Для плоскополяризованного света I_min=0 и Р=1; для естественного света I_max=I_min и P=0. К эллиптически- поляризованному свету понятие степени поляризации не применимо (у такого света колебания полностью упорядочены, так что степень поляризации всегда равна 1).

Колебание амплитуды А, совершающееся в плоскости, образующей с плоскостью поляризатора угол j можно разложить на колебания с амплитудами и . Первое колебание пройдет через прибор, второе будет задержано. Интенсивность прошедшей волны пропорциональна , т.е. равна , где I — интенсивность колебания с амплитудой А. Следовательно, колебание, параллельное плоскости поляризатора, несет с собой долю интенсивности, равную .В естественном свете все значения j равновероятны. Поэтому доля света, прошедшего через поляризатор, будет равна среднему значению , т.е. ½. При вращении поляризатора вокруг направления естественного луча интенсивность прошедшего света остается одной и той же, изменяется лишь ориентация плоскости колебаний света, выходящего из прибора.

Закон Малюса

Пусть на поляризатор падает плоскополяризованный свет амплитуды А₀ и интенсивность I₀. (рис. 6.1). Сквозь прибор пройдет составляющая колебания с амплитудой А=А₀cosφ, где φ — угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризатора. Следовательно, интенсивность прошедшего света I определяется выражением

Закон Малюса

Как определить степень поляризации света

Явление поляризации света осуществляется в момент отражения и преломления естественных лучей. В этом случае она становится следствием непосредственной зависимости коэффициента отражения света от направления вектора напряженности поля световой волны (электрического) относительно плоскости отражения.

Рисунок 1. Поляризация света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В большей степени отражение будет свойственно тем волнам, чьи вектора параллельны отражающей плоскости. Отраженные и преломленные лучи, таким образом, становятся поляризованными только частично. Степень поляризации отраженных лучей будет зависимой в таком случае не только от материала отраженных поверхностей, но и от угла падения.

Поляризация света

Поляризация света считается в физике явлением, при котором фиксируется выделение линейно поляризованного света из естественного (или, возможно, частично поляризованного света).

Существование поляризации становится возможным исключительно у поперечных волн (продольные категорически исключаются). Это, в свою очередь, объясняется тем, что в продольных волнах колебания будут выполняться исключительно вдоль направления их распространения, и погасить данные волны невозможно никакой ориентацией щели.

Горизонтально поляризованные волны не обладают способностью проходить сквозь вертикальную щель. При плокополяризованности электромагнитной волны, направлением ее поляризации избирается направление вектора напряженности у электрического поля.

Свет не обязательно должен быть поляризованным. Так, он может оказаться и неполяризованным, что, в свою очередь, предполагает осуществление колебаний источника параллельно во многих плоскостях. В практическом применении, например, простая лампа накаливания испускает, подобно Солнцу, неполяризованный свет.

Готовые работы на аналогичную тему

Свет, таким образом, характеризуется суммарным электромагнитным излучением множества атомов. Атомы при этом способны излучать световые волны без зависимости друг от друга. Это дает возможность характеризовать световую волну, излучаемую телом в целом, всевозможными и равновероятными колебаниями, осуществляемыми световым вектором.

Рисунок 2. Степень поляризации света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Получение поляризованного света

Поляризованный свет получается посредством пропускания естественного сквозь некоторые кристаллы (при двойном лучепреломлении). При этом фиксируется разделение луча на два разнонаправленных в кристалле, один из которых – обыкновенный (подчиняющийся общеизвестным законам преломления), а другой – необыкновенный.

В случае с необыкновенным лучом, показатель преломления и скорость распространения становятся зависимыми от направления распространения луча внутри кристалла. Оба луча при этом поляризованы в плоскостях, взаимно перпендикулярных. В любом из кристаллов будет существовать хотя бы одно направление, при распространении вдоль которого луч не подвергается двойному лучепреломлению, поскольку наблюдается одинаковость скоростей необыкновенного и обыкновенного лучей (направление оптической оси кристалла).

Плоскость, которая проходит сквозь падающий луч и оптическую ось, будет называться главным сечением кристалла. В обыкновенном луче фиксируется перпендикулярность колебаний светового вектора в отношении главного сечения кристалла, а в необыкновенном — колебания производятся непосредственно в плоскости главного сечения. В случае исключения одного из лучей каким-то образом, кристалл уже превращается в поляризатор, способствующий получению поляризованного света.

Рисунок 3. Анализ поляризованного света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Частично поляризованные свет

Введение такого понятия, как степень поляризации в большей степени обусловлено необходимостью получения частично поляризованного света. Такая величина определяется с помощью компонентов, на которые разделяется световой пучок.

Существует два эффективных способа разделения пучка на компоненты:

• деление на неполяризованный и поляризованный свет;
• деление по форме колебаний.

Процессы разделения на поляризованный и неполяризованный свет будут актуальными в ходе рассмотрения поляризаторов, обеспечивающих частичную поляризацию, и сдвигающих фазу пластинок (они называются фазовыми пластинками) и т. д.

В случае прохождения частично поляризованного пучка, например, через сдвигающее фазу устройство, фиксируется неизменность неполяризованной компоненты. Таким образом, наблюдатель может акцентировать свое внимание исключительно на поляризованной компоненте.

Ученые отмечают одно существенное ограничение, которое характеризуется следующими принципами:

1. Ни одно из общеизвестных устройств невозможно будет применить с целью проведения вышеуказанного разложения.
2. Легко осуществимым при этом будет обратный процесс, который заключается в достаточной простоте комбинирования поляризованного и неполяризованного пучков (хотя бы локально). С этой целью будет достаточно их пересечения под незначительным углом. При использовании данного принципа возможна демонстрация законности подобного метода рассмотрения.

Эквивалентная степень линейной поляризации

В определенных случаях полезным будет использование такого понятия, как эквивалентная степень линейной поляризации. Пучок, имеющий стопроцентную поляризацию эллиптического типа и эллиптичность (в незначительной степени), может рассматриваться в качестве пучка, обладающего частичной линейной поляризацией.

В таких условиях становится доступной такая поляризация, которая способна изменяться по спектру. В действительности, степень поляризации (и, с большей степенью вероятности, — даже форма поляризации) практически любого из немонохроматических пучков, выходящего из дихроичного поляризатора, начнет изменяться с длиной волны.

На выходе из несовершенного поляризатора мы получаем свет с преобладающими колебаниями одного направления над колебаниями другого (частично поляризованный свет).

При пропускании подобного света сквозь поляризатор, в момент вращения прибора вокруг направления луча начнет изменяться интенсивность прошедшего света (в пределах от максимальной до минимальной величины).