Материал: Бодунов Физика учебник

лей Е и Н колеблются в плоскости (например,YZ), перпендикулярной направлению распространения волны (оси Х, см. рис. 1.1). Вообще говоря, направление этих векторов в плоскости YZ может быть произвольным, но векторы E и H всегда взаимно перпендикулярны.

Линейно поляризованной (или плоско поляризованной) световой волной

называется волна, в которой векторы напряженности электрического поля E всегданаправленыодинаковово всех точкахпространства. Втакойволневектор E колеблется только в одной плоскости. В силу перпендикулярности E и H вектор H также колеблется в одной плоскости, перпендикулярной плоскости колебаний вектора Е.

Для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов. В качестве такого вектора выбран вектор напряженности электрического поля Е. Его называют световым вектором. Именно он определяет взаимодействие света с веществом (с электронами атомов вещества).

Неполяризованной световой волной (естественным светом) называ-

ют волну, в которой направление колебаний вектора Е хаотично меняется во времени по всем возможным направлениям.

На рис. 1.30, а схематически показаны направления колебаний светового вектора естественного света. Волна распространяется перпендикулярно плоскости чертежа.

Рис. 1.30

Обычный источник света (например, электрическая лампочка) испускает неполяризованный свет, поскольку он – результат суперпозиции волн, излучаемых каждым отдельным атомом раскаленной нити. Так как процесс испускания света одним атомом не зависит от состояния другого атома в нити накаливания, поляризации волн, испущенных разными атомами, совершенно не связаны друг сдругом. В результатеполучающийся светне поляризован.

40

Если под влиянием внешних воздействий на свет или внутренних особенностей источника света (лазер) появляется предпочтительное, наиболее вероятное направление колебаний вектора Е, то такой свет называется ча-

стично поляризованным (рис. 1.3, б).

Степенью поляризации называется величина

P Imax Imin ,

Imax Imin

где Imax и Imin – соответственно максимальная и минимальная интенсивность частично поляризованного света для двух взаимноперпендикулярных направ-

лений колебаний вектора Е ( Imax Emax2 , Imin Emin2 , Emax ┴ Emin). Для естественного света

Imax = Imin и Р = 0,

для плоскополяризованного –

Imin = 0 и Р = 1.

Схематично направления колебаний светового вектора линейно поляризованной волны изображены на рис. 1.31.

Если вектор E колеблется в плоскости чертежа, то в направлении вектора скорости волны v наносится ряд вертикальных стрелок (рис. 1.31, а), а если он колеблется в плоскости, перпендикулярной чертежу, то в этом направлении наносится ряд точек (рис. 1.31, б). Естественный (неполяризованный) свет условно обозначается чередующимися стрелками и точками (рис. 1.31, в), причем число стрелок равно числу точек.

а) E

v

H

б)

v

E

H

в)

v

Рис. 1.31

41

В соответствии с этой схемой естественный свет можно представить в виде суммы двух лучей, линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях, а частично поляризованный – в виде суммы естественного и линейно поляризованного.

Поляризатор и анализатор. Закон Малюса. Естественный свет пре-

образуется в плоскополяризованный при использовании так называемых поляризаторов. Они пропускают колебания вектора Е только определенного направления, параллельного главной плоскости поляризатора. В качестве поляризаторов используются анизотропные среды, электрические свойства которых различны в разных направлениях. Примером такой среды служат кристаллы турмалина. Поляризаторы, используемые для изучения поляризации света, называют анализаторами.

Схема классического опыта с турмалином изображена на рис. 1.32. Естественный свет распространяется перпендикулярно пластинке турмалина П, плоскость которой перпендикулярна главной плоскости поляризатора. При вращении этой пластины вокруг направления луча никаких изменений в интенсивности прошедшего через турмалин света не наблюдается.

Поставив на пути луча вторую пластинку турмалина (анализатор А) и вращая ее вокруг направления луча, наблюдаем, что интенсивность света, прошедшего через две пластинки, меняется в зависимости от угла φ между главными плоскостями поляризаторов по закону Малюса:

I = I0cos2φ,

где I0 и I – соответственно интенсивность света, падающего на анализатор и вышедшего из него.

Рис. 1.32

Результаты опытов с кристаллами турмалина объясняются довольно просто. Первая пластинка турмалина (поляризатор) пропускает колебания только определенного направления (это направление показано на рис. 1.32 стрелками), т. е. она преобразует естественный свет в плоскополяризованный. Вторая пластинка турмалина (анализатор) в зависимости от ее ориента-

42

ции пропускает ту часть поляризованного света, которая соответствует компоненте вектора Е, колеблющейся в главной плоскости анализатора, т. е.

E E0 cos .

Интенсивность света пропорциональна квадрату напряженности электрического поля световой волны, поэтому из данного выражения следует закон Малюса.

Поляризация при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Опыт показывает, что отраженный от поверхности диэлектрика и преломленный лучи всегда частично поляризованы. При этом в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярныеплоскости падения(показаны точками на рис. 1.33), а в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения (показаны стрелками).

iБ iБ

n1

n2 О

iпр β α

С

Рис. 1.33

Степень поляризации Р зависит от угла падения лучей и относительного показателя преломления сред. Установлено, что при значении угла падения iп iБ, удовлетворяющего условию

tgiБ n21 n2 , n1

отраженный свет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча. Это соотношение известно как закон Брюстера.

43

При iп iБ отражается только компонента вектора напряженности элек-

трического поля Е, параллельная поверхности диэлектрика (рис. 1.33, точки). При этом преломленный луч частично поляризован (точки и стрелки на том же рисунке), так как отражается лишь доля падающего света.

При отражении от одной пластинки под углом Брюстера интенсивность линейно поляризованного света крайнемала (около 4 % от интенсивности падающего естественного света). Поэтому для того чтобы увеличить интенсивность отраженного света (или поляризовать свет), применяют несколько пластинок, сложенных в стопу, – стопу Столетова. От первой пластинки стопы отражается полностью поляризованный луч (около 4 % первоначальной интенсивности), от второй пластинки – такой же луч (около 3,75 % первоначальной интенсивности) и т. д. При этом луч, выходящий из стопы снизу, по мере добавления пластинок все больше поляризуется в плоскости, параллельнойплоскости падения.

При угле падения, равном углу Брюстера (iп iБ), также справедлив закон преломления:

Подставив это выражение в закон Брюстера и представив tgiБ в виде отношения sin iБ к cosiБ, получаем

cosiБ siniпр cos(90 iпр),

т. е. преломленный луч ОС перпендикулярен отраженному лучу ОВ (см.

рис. 1.33).

Таким образом, закон Брюстера можно сформулировать следующим образом: при падении света под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны, отраженный свет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярнойплоскостипадениялуча, а преломленный луч частично поляризован с максимальной степенью поляризации.

Объяснение этому явлению дает теория Максвелла. Падающая световая волна возбуждает в среде колебания электронов в направлении колебаний вектора напряженности электрического поля E (в естественном свете как в плоскости падения – стрелки, так и перпендикулярно этой плоскости – точки). Колеблющиеся электроны являются источниками вторичных волн. Однако колеблющийся электрический заряд не излучает электромагнитных волн в направлении своего движения. В случае падения луча под углом Брюстера отраженный луч ОВ перпендикулярен преломленному лучу ОС. Поэтому колеблющийся в диэлектрике вдоль направления ОВ (стрелки) электрон не из-

44