Хто бачить поляризоване світло
Хто бачить поляризоване світло
Портал створений за підтримки Федерального агентства з друку та масових комунікацій.
У СВІТІ ПОЛЯРИЗОВАНОГО СВІТЛА
Лікар технічних наук А. ГОЛУБЄВ.
Дві абсолютно однакові пластинки з трохи затемненого скла або гнучкого пластику, складені разом, практично прозорі. Але варто повернути якусь одну на 90о, як перед оком виявиться суцільна чорнота. Це може здатися дивом: кожна пластинка прозора при будь-якому повороті. однак уважний погляд виявить, що при певних кутах її повороту відблиски від води, скла та полірованих поверхонь зникають. Це можна спостерігати, розглядаючи екран комп'ютерного РК-монітора через платівку: за її повороті яскравість екрана змінюється і за певних положеннях гасне зовсім. «Винник» всіх цих (і багатьох інших) цікавих явищ — поляризоване світло. Поляризація — це властивість, якою можуть мати електромагнітні хвилі, у тому числі видиме світло. Поляризація світла має безліч цікавих застосувань і заслуговує на те, щоб про неї поговорити докладніше.
Механічна модель лінійної поляризації світлової хвилі. Щілина в паркані пропускає коливання мотузки лише у вертикальній площині.
В анізотропному кристалі світловий промінь розщеплюється на два, поляризовані у взаємно перпендикулярних (ортогональних) напрямках.
Простий і незвичайний промені просторово поєднані, амплітуди світлових хвиль однакові. У разі їх складання виникає поляризована хвиля.
Так світло проходить через систему з двох поляроїдів: а - коли вони паралельні; б - схрещені; в - розташовані під довільним кутом.
Дві рівні сили, прикладені в точці А у взаємно-перпендикулярних напрямках, змушують маятник рухатися круговою, прямолінійною або еліптичною траєкторією (пряма — це «вироджений» еліпс, а коло — його окремий випадок).
У природі існує безліч коливальних процесів. Один із них — гармонійні коливання напруженостей електричного та магнітного полів, що утворюють змінне електромагнітне поле, яке поширюється у просторі у вигляді електромагнітних хвиль. Хвилі ці поперечні - вектори е ін напруженостей електричного і магнітного полів взаємно-перпендикулярні і коливаються поперек напряму поширення хвилі.
Електромагнітні хвилі умовно поділяють на діапазони довжин хвиль, що утворюють спектр. Найбільшу його частину займають радіохвилі із довжиною хвилі від 0,1 мм до сотень кілометрів. Невелика, але дуже важлива ділянка спектру – оптичний діапазон. Він ділиться на три області - видиму частину спектра, що займає інтервал приблизно від 0,4 мкм (фіолетове світло) до 0,7 мкм (червоне світло), ультрафіолетову (УФ) та інфрачервону (ІЧ), невидимі оком. Тому поляризаційні явища доступні безпосередньому спостереженню лише у видимій області.
Якщо коливання вектора напруженості електричного поля світлової хвилі повертаються в просторі випадковим чином, хвиля називається неполяризованою, а світло — природним. Якщо ці коливання відбуваються лише в одному напрямку, хвиля лінійно-поляризована. Неполяризовану хвилю на лінійно-поляризовану перетворюють за допомогою поляризаторів - пристроїв, що пропускають коливання лише одного напрямку.
Спробуємо зобразити цей процес наочно.Уявімо собі звичайний дерев'яний паркан, в одній із дощок якого прорізана вузька вертикальна щілина. Просунемо крізь цю щілину мотузку; її кінець за парканом закріпимо і почнемо мотузку струшувати, змушуючи її вагатися під різними кутами до вертикалі. Питання: а як вагатиметься мотузка за щілиною?
Відповідь очевидна: за щілиною мотузка коливатиметься лише у вертикальному напрямку. Амплітуда цих коливань залежить від напрямку зсувів, що приходять до щілини. Вертикальні коливання пройдуть крізь щілину повністю і дадуть максимальну амплітуду, горизонтальні щілину не пропустить зовсім. А всі інші, «похилі», можна розкласти на горизонтальну та вертикальну складові, і амплітуда залежатиме від величини вертикальної складової. Але у будь-якому разі за щілиною залишаться лише вертикальні коливання! Тобто щілина в паркані — це модель поляризатора, що перетворює неполяризовані коливання (хвилі) на лінійно-поляризовані.
Повернемося до світла. Отримати з природного, неполяризованого світла лінійно-поляризоване можна кількома способами. Найчастіше застосовують полімерні плівки з довгими молекулами, орієнтованими в одному напрямку (згадаймо про забір зі щілиною!), призми і пластинки, що мають подвійне променезаломлення, або оптичної анізотропії (неоднаковості фізичних властивостей за різними напрямками).
Оптична анізотропія спостерігається у багатьох кристалів - турмаліну, ісландського шпату, кварцу. Саме явище подвійного променезаломлення полягає в тому, що промінь світла, що падає на кристал, поділяється в ньому на два.При цьому показник заломлення кристала для одного з цих променів постійний за будь-якого вугілля падіння вхідного променя, а для іншого залежить від кута падіння (тобто для нього кристал анізотропен). Ця обставина настільки вразила першовідкривачів, що перший промінь назвали звичайним, а другий незвичайним. І дуже суттєво, що ці промені лінійно-поляризовані у взаємно-перпендикулярних площинах.
Зауважимо, що у таких кристалах існує один напрям, яким подвійного заломлення немає. Цей напрямок називається оптичною віссю кристала, а сам кристал — одновісним. Оптична вісь - це саме напрямок, всі лінії, що йдуть вздовж нього, мають властивість оптичної осі. Відомі також двовісні кристали - слюда, гіпс та інші. Вони також відбувається подвійне заломлення, але обидва промені виявляються незвичайними. У двовісних кристалах спостерігаються складніші явища, яких ми торкатися не станемо.
У деяких одновісних кристалах виявилося ще одне цікаве явище: звичайний і незвичайний промені відчувають значно різне поглинання (це явище назвали дихроїзмом). Так, у турмаліні звичайний промінь поглинається майже повністю вже шляху близько міліметра, а незвичайний проходить весь кристал наскрізь майже без втрат.
Двоякозаломлюючі кристали застосовують для отримання лінійно-поляризованого світла двома способами. У першому використовують кристали, які не мають дихроїзму; з них виготовляють призми, складені із двох трикутних призм з однаковою або перпендикулярною орієнтацією оптичних осей.У них або один промінь відхиляється убік, так що з призми виходить тільки один лінійно-поляризований промінь, або виходять обидва промені, але розведені на великий кут. У другому способі використовуються сильнодихроїчні кристали, в яких один з променів поглинається, або тонкі плівки - поляроіди у вигляді листів великої площі.
Візьмемо два поляроіди, складемо їх і подивимося крізь них на якесь джерело природного світла. Якщо осі пропускання обох поляроїдів (тобто напрямки, у яких вони поляризують світло) збігаються, око побачить світло максимальної яскравості; якщо вони перпендикулярні, світло майже повністю погаситься.
Світло від джерела, пройшовши через перший поляроїд, виявиться лінійно-поляризованим уздовж його осі пропускання і в першому випадку вільно пройде через другий поляроїд, а в другому випадку не пройде (згадаймо приклад із щілиною у паркані). У першому випадку кажуть, що поляроїди паралельні, у другому — що поляроїди схрещені. У проміжних випадках, коли кут між осями пропускання поляроїдів відрізняється від 0 або 90о, ми отримаємо і проміжні значення яскравості.
Ходімо далі. У будь-якому поляризаторі вхід світло розщеплюється на два просторово розділених і лінійно-поляризованих у взаємно-перпендикулярних площинах променя - звичайний і незвичайний. А що буде, якщо не розділяти просторово звичайне і незвичайне проміння і не гасити один з них?
На малюнку показано схему, що реалізує цей випадок. Світло певної довжини хвилі, що пройшло через поляризатор Р і стало лінійно-поляризованим, падає під кутом 90 про пластинку П, вирізану з одновісного кристала паралельно його оптичної осі ZZ. У платівці поширюються дві хвилі - звичайна і незвичайна - в одному напрямку, але з різною швидкістю (оскільки для них різні показники заломлення). Незвичайна хвиля поляризована вздовж оптичної осі кристала, звичайна - у перпендикулярному напрямку. Припустимо, що кут між напрямком поляризації падаючого на пластинку світла (віссю пропускання поляризатора Р) і оптичної віссю пластинки дорівнює 45 про і амплітуди коливань звичайної і незвичайної хвиль Ао і Ае рівні. Це випадок складання двох взаємно перпендикулярних коливань з однаковими амплітудами. Подивимося, що вийде у результаті.
Для наочності звернемося до механічної аналогії. Є маятник, до нього прикріплена трубочка з випливаючим з неї тонким струмком чорнилом. Маятник коливається у строго фіксованому напрямку, і чорнило малює пряму лінію на аркуші паперу. Тепер ми штовхнемо його (не зупиняючи) у напрямі, перпендикулярному площині гойдання, так, що розмах його коливань у новому напрямку став таким самим, як і в початковому. Таким чином, ми маємо два ортогональні коливання з однаковими амплітудами. Що намалюють чорнило залежить від того, в якій точці траєкторії АОВ був маятник, коли ми його штовхнули.
Припустимо, що ми штовхнули його в той момент, коли він займав крайнє ліве положення, у точці А. Тоді на маятник подіють дві сили: одна в напрямку початкового руху (до точки О), інша - у перпендикулярному напрямку АС. Оскільки ці сили однакові (амплітуди перпендикулярних коливань рівні), маятник піде по діагоналі AD. Його траєкторією стане пряма лінія, що йде під кутом 45° до напрямків обох коливань.
Якщо штовхнути маятник, коли він знаходиться в крайньому правому положенні, в точці, то з аналогічних міркувань ясно, що його траєкторією буде теж пряма, але повернена на 90 о . Якщо штовхнути маятник у середній точці, кінець маятника опише коло, а якщо в якійсь довільній точці - еліпс; причому його форма залежить від того, в якій саме точці штовхнули маятник. Отже, коло і пряма – окремі випадки еліптичного руху (пряма – це «вироджений» еліпс).
Результуюче коливання маятника, яке відбувається по прямій лінії, - модель лінійної поляризації. Якщо його траєкторія описує коло, коливання називається поляризованим по колу або циркулярно-поляризованим. Залежно від напрямку обертання, за годинниковою або проти неї, говорять відповідно про право- або лівоциркулярну поляризацію. Нарешті, якщо маятник описує еліпс, коливання називається еліптично-поляризованим, і в цьому випадку теж розрізняють праву або ліву еліптичну поляризацію.
Приклад з маятником дає наочне уявлення, яку поляризацію отримає коливання, що виникає при додаванні двох взаємно-перпендикулярних лінійно-поляризованих коливань. Виникає питання: що є аналогом завдання другого (перпендикулярного) коливання у різних точках траєкторії маятника для світлових хвиль?
Їм служить різниця фаз φ звичайної та незвичайної хвиль. Поштовх маятника в точці А відповідає нульова різниця фаз, у точці В - різниця фаз 180 про , в точці Про - 90 про , якщо маятник проходить через цю точку зліва направо (від А до В), або 270 про якщо справа наліво (від В до А). Отже, при складанні світлових хвиль з ортогональними лінійними поляризаціями і однаковими амплітудами поляризація результуючої хвилі залежить від різниці фаз хвиль, що складаються.
З таблиці видно, що при різниці фаз 0 і 180 про еліптична поляризація перетворюється на лінійну, при різниці 90 і 270 про - в кругову з різними напрямками обертання результуючого вектора. А еліптичну поляризацію можна отримати додаванням двох ортогональних лінійно-поляризованих віл і при різниці фаз 90 про або 270 про якщо у цих хвиль різні амплітуди. Крім того, циркулярно-поляризоване світло можна отримати взагалі без складання двох лінійно-поляризованих хвиль, наприклад, при ефекті Зеемана — розщепленні спектральних ліній у магнітному полі. Неполяризоване світло частотою v, пройшовши через прикладене у напрямку розповсюдження світла магнітне поле, розщеплюється на дві компоненти з лівою та правою циркулярними поляризаціями та симетричними щодо ν частотами (ν — ∆ν) та (ν + ∆ν).
Дуже поширений спосіб отримання різних видів поляризації та їх перетворення - використання так званих фазових пластинок з двоякозаломлюючого матеріалу з показниками заломлення. no і ne. Товщина платівки d підібрана так, що на її виході різниця фаз між звичайною та незвичайною компонентами хвилі дорівнює 90 або 180 про. Різниці фаз 90 про відповідає оптична різниця ходу d(no - ne), рівна λ/4, а різниці фаз 180 про - λ/2, де λ - довжина хвилі світла. Ці платівки так і називаються — чвертьхвильова та напівхвильова.Пластинку товщиною в одну четверту або половину довжини хвилі виготовити практично неможливо, тому той же результат отримують з більш товстими пластинками, що дають різницю ходу (kλ + λ/4) і (kλ + λ/2), де k - Деяке ціле число. Чвертьхвильова пластинка перетворює лінійно-поляризоване світло на еліптично-поляризоване; якщо ж пластинка напівхвильова, то на її виході виходить також лінійно-поляризоване світло, але з напрямком поляризації, перпендикулярним до вхідного. Різниця фаз 45 про дасть циркулярну поляризацію.
Якщо між паралельними чи схрещеними поляроїдами помістити двоякозаломлюючу пластинку довільної товщини і подивитися через цю систему на біле світло, то ми побачимо, що поле зору стало кольоровим. Якщо товщина платівки неоднакова, виникають різнокольорові ділянки, тому що різниця фаз залежить від довжини хвилі світла. Якщо один із поляроїдів (все одно, який) повернути на 90 о , кольори зміняться на додаткові: червоний – на зелений, жовтий – на фіолетовий (у сумі вони дають біле світло).
Поляризоване світло пропонували використовувати для захисту водія від сліпучого світла фар зустрічного автомобіля. Якщо на вітрове скло та фари автомобіля нанести плівкові поляроіди з кутом пропускання 45 о , наприклад праворуч від вертикалі, водій буде добре бачити дорогу і зустрічні машини, освітлені власними фарами. Але у зустрічних автомобілів поляроїди фар виявляться схрещеними з поляроїдом вітрового скла даного автомобіля, і світло фар зустрічних машин згасне.
Два схрещені поляроіди складають основу багатьох корисних пристроїв.Через схрещені поляроїди світло не проходить, але якщо помістити між ними оптичний елемент, що повертає площину поляризації, можна відкрити світла дорогу. Так улаштовані швидкодіючі електрооптичні модулятори світла. Між схрещеними поляроїдами міститься, наприклад, двоякозаломлюючий кристал, на який подається електрична напруга. У кристалі в результаті взаємодії двох ортогональних лінійно-поляризованих хвиль світло стає еліптично-поляризованим із складовою в площині пропускання другого поляроіду (лінійний електрооптичний ефект, або ефект Поккельса). При подачі змінної напруги буде періодично змінюватися форма еліпса і, отже, величина складової, що проходить через другий поляроїд. Так здійснюється модуляція - зміна інтенсивності світла з частотою напруги, яка може бути дуже високою - до 1 гігагерца (10 9 Гц). Виходить затвор, що перериває світло мільярд разів на секунду. Його використовують у багатьох технічних пристроях - в електронних далекомірах, оптичних каналах зв'язку, лазерної техніки.
Відомі так звані фотохромні окуляри, що темніють на яскравому сонячному світлі, але не здатні захистити очі при дуже швидкому і яскравому спалаху (наприклад, при електрозварюванні) процес затемнення йде порівняно повільно. Поляризаційні окуляри на ефекті Поккельса мають практично миттєву «реакцію» (менше 50 мкс). Світло яскравого спалаху надходить на мініатюрні фотоприймачі (фотодіоди), що подають електричний сигнал, під дією якого окуляри стають непрозорими.
Поляризаційні окуляри використовують у стереокіно, що дає ілюзію об'ємності.В основі ілюзії лежить створення стереопари - двох зображень, знятих під різними кутами, що відповідають кутам зору правого та лівого ока. Їх розглядають так, щоб кожне око бачило тільки призначений для нього знімок. Зображення для лівого ока проектується на екран через поляроїд з вертикальною віссю пропускання, а для правого з горизонтальною віссю і точно поєднують їх на екрані. Глядач дивиться через поляроїдні окуляри, у яких вісь лівого поляроіда вертикальна, а правого горизонтальна; кожне око бачить лише «своє» зображення, і виникає стереоефект.
Для стереоскопічного телебачення застосовується спосіб швидкого поперемінного затемнення окулярів, синхронізованого зі зміною зображень на екрані. За рахунок інерції зору з'являється об'ємне зображення.
Поляроїди широко застосовуються для гасіння відблисків від стекол і полірованих поверхонь, від води (відбите від них світло сильно поляризоване). Поляризовано і світло екранів рідкокристалічних моніторів.
Поляризаційні методи використовують у мінералогії, кристалографії, геології, біології, астрофізиці, метеорології, щодо атмосферних явищ.
Жевандров Н. Д. Поляризація світла. - М.: Наука, 1969.
Жевандров Н. Д. Анізотропія та оптика. - М.: Наука, 1974.
Жевандров Н. Д. Застосування поляризованого світла. - М.: Наука, 1978.
Шеркліфф У. Поляризоване світло/Пер. з англ. - М.: Світ, 1965.
ПОЛЯРИЗОВАНИЙ СВІТ
Про властивості поляризованого світла, саморобні полярископи і про прозорі предмети, що починають переливатися всіма кольорами веселки, журнал уже писав (див. «Наука і життя» № 7, 1999). Розглянемо це питання з використанням нових технічних пристроїв.
Будь-який пристрій з кольоровим РК (рідкокристалічним) екраном - монітор, ноутбук, телевізор, DVD-плеєр, кишеньковий комп'ютер, смартфон, комунікатор, телефон, електронну фоторамку, MP3-плеєр, цифровий фотоапарат - можна використовувати як поляризатор (прилад, що створює поляризоване світло ).
Справа в тому, що сам принцип роботи РК-монітора ґрунтується на обробці поляризованого світла (1). Більш докладний опис роботи можна знайти на http://master-tv.com/, а для нашого фізпрактикуму важливим є те, що якщо ми засвітимо екран білим світлом, наприклад, намалювавши білий квадрат або сфотографувавши білий аркуш паперу, то отримаємо плоскополяризоване світло, на тлі якого ми й вироблятимемо подальші досліди.
Цікаво, що, придивившись до білого екрану при великому збільшенні, ми не побачимо жодної білої точки (2) - все різноманіття відтінків виходить комбінацією відтінків червоного, зеленого та синього кольорів.
Можливо, завдяки щасливому випадку наші очі теж використовують три види колб, що реагують на червоний, зелений і синій кольори так, що при правильному співвідношенні основних кольорів ми сприймаємо цю суміш як білий колір.
Для другої частини полярископа - аналізатора - підійдуть поляризовані окуляри фірми «Polaroid», вони продаються в магазинах для рибалок (зменшують відблиски від водної поверхні) або в автомагазинах (прибирають відблиски від скляних поверхонь). Перевірити справжність таких окулярів дуже просто: повертаючи окуляри відносно один одного можна практично повністю перекрити світло (3).
Можна скористатися спеціальними окулярами для стереокіно (подробиці на http://www.stereomir.ru/).
І, нарешті, можна зробити аналізатор із РК дисплейчика від зіпсованого електронного годинника або інших виробів з чорно-білими екранами( 4). За допомогою цих нескладних пристроїв можна побачити багато цікавого, а якщо поставити аналізатор перед об'єктивом фотоапарата — зберегти вдалі кадри (5).
Предмет з абсолютно прозорої пластмаси - лінійка (8), коробочка для CD-дисків (9) або сам "нульовий" диск (див. знімок на першій сторінці обкладинки), - поміщений між РК-екраном і аналізатором, набуває райдужного забарвлення. Геометрична фігурка з целофану, знятого з пачки сигарет і покладена на листок того ж целофану, стає кольоровою (6). А якщо повернути аналізатор на 90 градусів, всі кольори зміняться на додаткові – червоний стане зеленим, жовтий – фіолетовим, помаранчевий – синім (7).
Причина цього явища в тому, що прозорий для природного світла матеріал насправді неоднорідний, або, те саме, анізотропен. Його фізичні властивості, зокрема показники заломлення різних ділянок предмета, неоднакові. Світловий промінь у ньому розщеплюється на два, які йдуть з різними швидкостями та поляризовані у взаємно-перпендикулярних площинах. Інтенсивність поляризованого світла, результат складання двох світлових хвиль при цьому не зміниться. Але аналізатор виріже з нього дві плоско-поляризовані хвилі, що коливаються в одній площині, які інтерферуватимуть (див. «Наука і життя» № 1, 2008 р.). Найменша зміна товщини пластинки або напруги в її товщі призводить до появи різниці ходу хвиль і виникнення забарвлення.
У поляризованому світлі дуже зручно вивчати розподіл механічної напруги в деталях машин і механізмів, будівельних конструкціях.З прозорої пластмаси роблять плоску модель деталі (балки, опори, важеля) і прикладають до неї навантаження, що моделює реальне. Різнокольорові смуги, що виникають у поляризованому світлі, вказують на слабкі місця деталі (гострий кут, сильний згин та ін.) - У них концентруються напруги. Змінюючи форму деталі, досягають максимальної її міцності.
Виконати таке дослідження нескладно і самим. З органічного скла (бажано однорідного) можна вирізати, скажімо, модель гака (гака для підйому вантажу), підвісити її перед екраном, навантажувати гирками різної ваги на дротяних петельках і спостерігати, як у ній змінюється розподіл напруг.