Природне та поляризоване світло

Мал. 5.28 Як у будь-якій електромагнітній хвилі, при поширенні світлового променя відбуваються коливання електричного Е і магнітного векторів н. Незважаючи на те, що світлові хвилі поперечні, вони зазвичай не виявляють асиметрії щодо променя. Це зумовлено тим, що в природному світлі (тобто у світлі, що випускається звичайними джерелами) є коливання, що відбуваються в різних напрямках, перпендикулярних до променя (рис. 5.28). Випромінювання тіла, що світиться, складається з хвиль, що випускаються його атомами. Процес випромінювання окремого атома продовжується близько 10 х с. За цей час встигає утворитися послідовність горбів та западин (або, як кажуть, цуг волі) довжиною приблизно 3 м. "Погаснувши", атом через деякий час "спалахує" знову. Одночасно спалахує багато атомів. Збуджені ними цуги хвиль, накладаючись один на одного, утворюють світлову хвилю, що випускається тілом.

Площина коливань кожного цуга орієнтована випадковим чином. Тому в результуючій хвилі коливання різних напрямків представлені з рівною ймовірністю. У природному світлі коливання різних напрямів швидко і безладно змінюють одне одного. Світло, в якому напрями коливань упорядковані якимось чином, називається поляризованим. Якщо коливання світлового вектора відбуваються тільки в одній площині, що проходить через промінь, світло називається плоско- (або лінійно-) поляризованим. Упорядкованість може полягати в тому, що вектор Е повертається навколо променя, одночасно пульсуючи за величиною. Через війну кінець світлового вектора описує еліпс. Таке світло називається еліптично-поляризованим. Якщо кінець вектора Ё описує коло, то світло називається поляризовані по колу. Розглянемо два взаємно перпендикулярні електричні коливання, що відбуваються вздовж осей хіуї, що відрізняються по фазі на 5: Результуюча напруженість Ё (Рис. 5.29). Кут (р між напрямками векторів Ё і Е_х визначається виразом Мал. 5.29 Як показує досвід, фізіологічна, фотохімічна, фотоелектрична та інші дії світла викликаються коливаннями електричного вектора. Відповідно до цього його називають світловий вектор. Якщо різниця фаз 5 зазнає випадкових хаотичних змін, те й кут ф, тобто. напрямок світлового вектора Ё , відчуватиме стрибкоподібні невпорядковані зміни Відповідно до цього природне світло можна подати як накладання двох некогерентних електромагнітних хвиль, поляризованих у взаємно перпендикулярних площинах і мають однакову інтенсивність. Таке уявлення набагато полегшує розгляд проходження природного світла через поляризаційні пристрої. Припустимо, що світлові хвилі Е_х і Е_у когерентні, причому 8 дорівнює нулю або л. Тоді згідно (т.5.2) Отже, результуюче коливання відбувається у фіксованому напрямку – хвиля виявляється плоскополяризованою. У випадку, коли А_х = А₂ і 8 = ±л/2, Звідси випливає, що площина коливань повертається навколо напрямку променя з кутовою швидкістю, що дорівнює частоті коливань з. Світло в цьому випадку буде поляризованим по колу. Мал. 5.30

Щоб з'ясувати характер результуючого коливання у разі довільного постійного 8, візьмемо до уваги, що величини (т.5.1) є координатами кінця результуючого вектора Ё (Рис. 5.30). З вчення про коливання відомо, що два взаємно перпендикулярні гармонійні коливання однакової частоти при додаванні дають у загальному випадку рух по еліпсу (зокрема, може вийти рух по прямій або по колу). Таким чином, кінець світлового вектора рухається еліпсом. При різниці фаз 8, що дорівнює нулю або я, еліпс вироджується в пряму, і виходить плоскополяризоване світло. При 8 = ±л/2 і рівність амплітуд хвиль, що складаються, еліпс перетворюється на окружність — виходить світло, поляризоване по колу. Площина, в якій коливається світловий вектор у плоскополяризованій хвилі, називатимемо площиною коливань. З історичних причин площиною поляризації була названа не площина, в якій коливається вектор Е, а перпендикулярна до неї площина. Запитання 5.14. Чи можна отримати поляризовані звукові хвилі у повітрі? Плоскополяризоване світло можна отримати з природного за допомогою приладів, названих поляризаторами. Ці прилади вільно пропускають коливання, паралельні площині, яку називатимемо площиною поляризації, і повністю (ідеальний поляризатор) або частково (недосконалий поляризатор) затримують коливання перпендикулярні до цієї площини. На виході з недосконалого поляризатора виходить світло, в якому коливання одного напрямку переважають коливання інших напрямків. Таке світло називають частково поляризованим. Якщо пропустити частково поляризоване світло через поляризатор, то при обертанні приладу навколо напрямку променя інтенсивність світла буде змінюватися від 7_min до /_тах, причому перехід від однієї з цих значень до іншого відбуватиметься при повороті на кут, рівний л/2 (за повний оборот двічі досягатиметься максимальне і двічі — мінімальне значення інтенсивності). Вираз називається ступенем поляризації. Коливання амплітуди А, кут ф , що відбувається в площині, що утворює з площиною поляризатора, можна розкласти на два коливання з амплітудами А_і = Асоеф і А_± = Asiпф (рис. 5.31; промінь перпендикулярний до площини малюнка). Перше коливання пройде через пристрій, друге буде затримано. Інтенсивність минулої хвилі пропорційна А_{] =A 2 cos 2 (p,} тобто. дорівнює /cos 2 cp, де I - Інтенсивність коливань з амплітудою А. Отже, коливання, паралельне площині поляризатора, несе із собою частку інтенсивності, рівну COS" ф. У природному світлі всі значення ф рівноймовірні. Тому частка світла, що пройшло через поляризатор, дорівнюватиме середнього значення cos' ф, тобто. Vi. При обертанні поляризатора навколо напрями природного променя інтенсивність минулого світла залишається однієї й тієї ж, змінюється лише орієнтація поверхні коливання світла, що виходить із приладу.