Чем отличается поляризованный свет от естественного

Естественный свет – свет, при котором колебания векторов происходит во всех плоскостях, проходящих через направление луча. Электромагнитные колебания являются гармоническими и характеризуются длиной волны, амплитудой, фазой, частотой. Видимый свет состоит из волн, имеющих длину в интервале от 380 – 760 mμ. Волна определенной длины имеет свой цвет, а в сумме видимые волны дают белый цвет. Спектр видимого света состоит из следующих цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового.

Поляризованный (плоскополяризованный) свет- свет, при котором колебания векторов происходят только в одной определенной плоскости. Явление поляризации света кристаллами было открыто при прохождении света через прозрачный кристалл исландского шпата. Плоскополяризованный свет возникает при отражении от гладкой поверхности (частичная поляризация), либо проходя через кристалл. В качестве поляризаторов применяют кристаллы исландского шпата (призма Николя) или искусственно созданные поляроиды.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 9636 — | 7524 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Волны бывают двух видов. В продольных колебательное возмущение параллельно направлению их распространения. Примером может служить прохождение звука в воздухе. Поперечные волны состоят из возмущений, которые находятся под углом 90° к направлению перемещения. Так, например, волна, проходя горизонтально через массу воды, вызывает вертикальные колебания на ее поверхности.

Открытие явления

Ряд загадочных оптических эффектов, наблюдаемых в середине XVII века, был объяснен, когда поляризованный и естественный свет начал рассматриваться как волновой феномен и были обнаружены направления его колебаний. Первый так называемый эффект поляризации был открыт датским врачом Эразмом Бартолином в 1669 году. Ученый наблюдал двойную рефракцию, или двойное лучепреломление, в исландском шпате, или кальците (кристаллической форме карбоната кальция). Когда свет проходит через кальцит, кристалл расщепляет его, производя два изображения, смещенные относительно друг друга.

Ньютон знал об этом явлении и предположил, что, возможно, корпускулы света обладают асимметрией или «односторонностью», которая могла бы быть причиной формирования двух изображений. Гюйгенс, современник Ньютона, смог объяснить двойное преломление своей теорией элементарных волн, но он не понял истинного смысла эффекта. Двойное лучепреломление оставалось загадкой, пока Томас Юнг и физик из Франции Огюстен-Жан Френель не предположили, что световые волны являются поперечными. Простая идея позволила объяснить, что такое поляризованный и естественный свет. Это обеспечило естественную и неосложненную основу для анализа поляризационных эффектов.

Двойное лучепреломление вызвано комбинацией двух перпендикулярных поляризаций, каждая из которых обладает своей скоростью волны. Из-за разницы в скорости две составляющие имеют различные показатели преломления, и поэтому они по-разному преломляются через материал, производя два изображения.

Поляризованный и естественный свет: теория Максвелла

Френель быстро разработал комплексную модель поперечных волн, которые приводили к двойному лучепреломлению и ряду других оптических эффектов. Через сорок лет электромагнитная теория Максвелла элегантно объяснила поперечную природу света.

Электромагнитные волны Максвелла составлены из магнитных и электрических полей, колеблющихся перпендикулярно направлению перемещения. Поля находятся под углом 90° друг другу. При этом направления распространения магнитного и электрического полей образуют правую систему координат. Для волны с частотой f и длиной λ (они связаны зависимостью λf = с), которая движется в положительном направлении х, поля описываются математически:

Уравнения показывают, что электрическое и магнитное поля находятся в фазе друг с другом. В любой данный момент времени они одновременно достигают своих максимальных значений в пространстве, равных Е и В. Эти амплитуды не являются независимыми. Уравнения Максвелла показывают, что Е = cB для всех электромагнитных волн в вакууме.

Направления поляризации

В описании ориентации магнитного и электрического полей волны света обычно указывают только направление электрического поля. Вектор магнитного поля определяется требованием о перпендикулярности полей и их перпендикулярности к направлению движения. Естественный и линейно поляризованный свет отличаЕтся тем, что в последнем поля осциллируют в фиксированных направлениях по мере перемещения волны.

Возможны и другие состояния поляризации. В случае круговой векторы магнитного и электрического полей вращаются относительно направления распространения с постоянной амплитудой. Эллиптически поляризованный свет находится в промежуточном положении между линейной и круговой поляризациями.

Неполяризованный свет

Атомы на поверхности нагретой нити накаливания, которые генерируют электромагнитное излучение, действуют, независимо друг от друга. Каждое излучение можно приблизительно смоделировать в виде коротких цугов продолжительностью от 10 -9 до 10 -8 секунды. Электромагнитная волна, исходящая от нити накаливания, представляет собой суперпозицию этих цугов, каждый из которых имеет собственное направление поляризации. Сумма ориентированных случайным образом цугов образует волну, вектор поляризации которой изменяется быстро и беспорядочно. Такая волна называется неполяризованной. Все естественные источники света, включая Солнце, лампы накаливания, люминесцентные лампы и пламя, производят такое излучение. Однако естественный свет часто бывает частично поляризован из-за множественного рассеяния и отражения.

Таким образом, отличие поляризованного света от естественного состоит в том, что в первом колебания совершаются в одной плоскости.

Источники поляризованного излучения

Поляризованный свет может быть произведен в случаях, когда определена пространственная ориентация. Одним из примеров является синхротронное излучение, при котором высокоэнергичные заряженные частицы движутся в магнитном поле и излучают поляризованные электромагнитные волны. Существует много известных астрономических источников, излучающих естественно поляризованный свет. В их число входят туманности, остатки сверхновых и активные галактические ядра. Поляризация космического излучения изучается для того, чтобы определить свойства его источников.

Фильтр поляроид

Поляризованный и естественный свет разделяются при прохождении через ряд материалов, наиболее распространенным из которых является поляроид, созданный американским физиком Эдвином Лэндом. Фильтр состоит из длинных цепочек молекул углеводородов, ориентированных в одном направлении путем процесса термической обработки. Молекулы избирательно поглощают излучение, электрическое поле которого параллельно их ориентации. Свет, выходящий из поляроида, линейно поляризован. Его электрическое поле перпендикулярно направлению ориентации молекул. Поляроид нашел применение во многих областях, включая солнцезащитные очки и светофильтры, снижающие эффект отраженного и рассеянного света.

Естественный и поляризованный свет: закон Малюса

В 1808 году физик Этьен-Луи Малюс обнаружил, что свет, отраженный от неметаллических поверхностей, частично поляризуется. Степень этого эффекта зависит от угла падения и показателя преломления отражающего материала. В одном из крайних случаев, когда тангенс угла падения луча в воздухе равен показателю преломления отражающего материала, отраженный свет становится полностью линейно поляризованным. Это явление известно как закон Брюстера (назван так в честь его первооткрывателя, шотландского физика Дэвида Брюстера). Направление поляризации параллельно отражающей поверхности. Так как дневные блики, как правило, возникают при отражении от горизонтальных поверхностей, таких как дороги и вода, в солнечных очках часто используются фильтры, чтобы снять горизонтально поляризованный свет и, следовательно, выборочно удалить отблески света.

Рэлеевское рассеяние

Рассеяние света очень мелкими объектами, размеры которых намного меньше длины волны (так называемое рэлеевское рассеяние по имени английского ученого лорда Рэлея), также создает частичную поляризацию. Когда солнечное излучение проходит через земную атмосферу, оно рассеивается молекулами воздуха. Земли достигает рассеянный поляризованный и естественный свет. Степень его поляризации зависит от угла рассеяния. Поскольку человек не различает естественный и поляризованный свет, то этот эффект, как правило, остается незамеченным. Тем не менее глаза многих насекомых на него реагируют, и они используют относительную поляризацию рассеянного излучения как навигационный инструмент. Обычный светофильтр фотоаппарата, применяемый для уменьшения фонового излучения при ярком солнечном освещении, представляет собой простой линейный поляризатор, который разделяет естественный и поляризованный свет Рэлея.

Анизотропные материалы

Эффекты поляризации наблюдаются в оптически анизотропных материалах (в которых показатель преломления изменяется с направлением поляризации), таких как двулучепреломляющие кристаллы, некоторые биологические структуры и оптически активные материалы. Технологическое применение включает поляризационные микроскопы, жидкокристаллические дисплеи и оптические приборы, используемые для исследования материалов.

Сегодня поговорим о поляризованном и естественном свете. В чем их отличия и как создается поляризация при прохождении сквозь вещество.

Свет – это волна

Прежде чем приступать к более сложным понятиям, надо сначала объяснить, что же такое свет?

Уже очень давно опыты с отражением и преломлением убедили ученых: свет имеет природу волны, то есть является колебанием какого-то поля. Например, Гюйгенс вывел, а Френель дополнил принцип. Согласно последнему, каждая точка среды, до которой дошел фронт волны, становится вторичным источником света. Но поляризованный и естественный свет различаются не только потому, что они волны. Ньютон считал: лучи состоят из неких наименьших частиц – корпускул. Таким образом, он предвосхитил квантовую теорию наименьших элементов нашего мира, к ним относятся и фотоны.

Корпускулярно-волновой дуализм

Опыты Лебедева убедили научный мир: свет способен оказывать давление на окружающие вещи. Перед исследователем возникло множество технических сложностей. Несмотря на это, он доказал, что фотоны света передают поверхностям ненулевой импульс, когда встречают преграду. Данное явление поставило ученых в тупик. Как можно было увязать волновые свойства и материальность массы воедино?

В итоге исследователям пришлось признать: любая элементарная частица – это одновременно и волна, и материальный объект. Фотоны имеют как признаки осциллятора (длину волны, частоту и амплитуду), так и характеристики материального вещества (массу, импульс и энергию). Это и есть принцип корпускулярно-волнового дуализма. Также требовалось понять, как именно существует и движется в пространстве, казалось бы, бесконечная волна с конечной массой. На помощь пришло понятие «квант» – это наименьший пакет некоего общего целого, который перемещается и взаимодействует с веществом. Например, поляризованный и естественный свет являются квантами электромагнитного поля. Но такая среда не единственная, подверженная квантованию. Существуют также кванты:

• гравитационного поля (гравитоны предсказаны только теоретически, к доказательству их существования ученые уже подошли очень близко);
• глюонного поля (глюоны, в отличие от гравитонов, найдены);
• коллективного взаимодействия узлов кристаллической решетки твердого тела (фононы, например, отвечают за превращение электромагнитного излучения в кристаллах в звук).

Однако чтобы представить, почему свет поляризуется, описанных выше знаний недостаточно. Требуется напрячь пространственное воображение.

Как поляризуется свет?

Как мы уже объясняли выше, свет – это волна. Но электромагнитные колебания, в отличие от морских, не просто перемещают поле вверх-вниз. Направление распространения волны показывает волновой вектор. Вектор амплитуды способен вращаться вокруг волнового. Типов этого вращения может быть множество. Под вектором амплитуды понимается направление, в котором движется амплитуда волны в данный момент времени.

Любой протяженный источник типа лампы накаливания или Солнца генерирует фотоны всех возможных видов. Вектор амплитуды направлен у такого излучения хаотически. А теперь представьте себе цилиндр. Он движется вперед вдоль своей главной оси, но при этом вращается вокруг нее. И точка на боку цилиндра покажет форму движения вектора амплитуды циркулярно поляризованной волны. С пространственными построениями связано еще одно понятие – «световой вектор». Оно обозначает направление плотности потока. Эта величина задает интенсивность и направление переноса световой энергии. Используется данный термин нечасто, как правило, в прикладных технических текстах, в которых решается проблема освещения конкретных мест лампами или прожекторами. Книги по физике, например, учебники и справочники обходятся более простыми и фундаментальными понятиями.

Почему поляризуется свет?

Фотоны излучаются, когда электроны в атомах переходят из более высокого в более низкое положение. Рассмотрим один-единственный фотон, испущенный каким-нибудь атомом. Характеристика такого кванта совершенно конкретна. Этот фотон будет колебаться в определенном направлении, а вектор его амплитуды будет лежать в одной плоскости. Таким образом, одиночный фотон всегда поляризован линейно. Следовательно, один из способов получения поляризованного света – когерентное вынужденное излучение множества одинаковых атомов. Но такой метод не всегда применим, а соответствующие устройства (лазеры) не всем доступны. Однако свет Солнца или обычной лампы накаливания получить достаточно просто. Чтобы их поляризовать, надо поставить на пути излучения такую преграду, которая пропускает дальше только один вид колебаний, а все остальные задерживает. Так что другие способы получения поляризованного света связаны с созданием фильтров для естественного излучения.

Как правило, на такое способны кристаллы с заданным строением или полимерные мембраны, в которых волокна расположены в определенном направлении. Первым естественным поляризатором, обнаруженным учеными, стал кристаллический кварц из Исландии, так называемый исландский шпат. А первым искусственным поляризатором была органическая мембрана с добавлением ионов йода. Сейчас в промышленных масштабах используют поляроидные пленки, зажатые между двумя плоскими стеклами.

Виды поляризованного света

Чуть выше мы уже приводили циркулярную поляризацию и ее распределение колебаний в пространстве. Но существуют и другие виды поляризации. Как читатель наверняка уже понял, поляризованный и естественный свет взаимопроникают друг в друга: первый легко получить из второго.

Поляризация электромагнитных волн бывает по форме:

• круговой (циркулярной);
• линейной;
• эллиптической.

Также по степени изменения поляризация бывает:

Поляризация, отличная от линейной, – это свойство коллективное, а не индивидуальное. Другими словами, один-единственный фотон не может быть поляризован эллиптически, для этого требуется некоторое количество квантов света. Именно поэтому при математических манипуляциях эллиптически и циркулярно поляризованный свет раскладывают на две перпендикулярные составляющие.

Примеры частичной поляризации

Примером частичной поляризации может служить свет Солнца, который прошел сквозь атмосферу Земли. Толстый слой смеси газов все время находится в движении, какие-то участки уплотняются, другие – разрежаются.

Эти уплотнения рассеивают часть электромагнитных колебаний, так что до поверхности планеты свет доходит частично поляризованным. Но степень этих изменений мала: законы поляризованного света применяются только в очень точных астрономических расчетах. В остальных случаях излучение Солнца на поверхности Земли считается естественным.

Вращение поляризатора

На пути естественного света нужно поставить соответствующий фильтр, чтобы получить поляризацию. После фильтра вектор амплитуды электромагнитного излучения будет колебаться только одним способом, например, линейно. Но что произойдет, если на пути уже измененного потока света поставить другой поляризатор?

1. Ось пропускания второго поляризатора сонаправлена с осью первого. В этом случае свет просто пройдет второй фильтр, как бы не «заметив» его.
2. Ось пропускания второго фильтра располагается под углом к оси первого. Чтобы получить результат, необходимо применить закон Малюса для поляризованного света.

Формулы и их интерпретацию приведем ниже.

Закон Малюса

Если читателю кажется, что два поляризатора – это такая игра, что-то вроде упражнения для ума, то он ошибается. С помощью второго фильтра можно определить направление и степень поляризации потока света. Эти данные используют как непосредственно, например, при оценке свойств далеких галактик и туманностей, так и опосредованно, для оценки качества поверхностей.

Закон Малюса для поляризованного света выражается формулой:

• I = k х I х cos 2 φ, где
  I – интенсивность конечного потока света,
  I – начального,
  k – коэффициент пропускания поляризатора,
  φ – угол между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора.

Для релятивистского случая добавляются циклические частоты поляризованных волн. Но эти компоненты учитываются, только если источник света движется со скоростью, близкой к скорости света. Для применения расширенной формулы Малюса не обязательно преодолевать триста тысяч километров в секунду. Релятивистской считается скорость, равная одному проценту от скорости света в вакууме.

Однако дотошный читатель спросит: «А как же быть с циркулярной и эллиптической поляризацией?» Как мы уже упоминали выше, ответ прост. Необходимо представить этот вид поляризации как сумму двух линейно поляризованных волн.

Сложности восприятия поляризации как понятия

Надеемся, мы прояснили для читателей понятия естественного и поляризованного света. Однако избежать трудностей в пространственном восприятии этих понятий невозможно. Что же необходимо сделать, чтобы осознать, как вращается вектор амплитуды?

Первым барьером может стать непонимание, что такое вектор. Прежде всего, это направление движения. Когда человек ведет машину, вектор его движения – это то, куда направлен нос автомобиля и в какую сторону развернуты шины, а не куда смотрят глаза человека. Если бы все водители поняли это, возможно, на наших дорогах было бы меньше аварий. Как мы уже упоминали, в случае волны вектор амплитуды – это направление, в котором «колеблется» волна в конкретный момент времени.

Второй барьер может заключаться в непонимании процессов излучения. Для восполнения пробелов стоит вспомнить, что такое электронные уровни в атомах и почему переход между ними сопровождается либо излучением, либо поглощением энергии. Поняв, откуда берутся фотоны, читатель, возможно, лучше разберется в поляризации света.

Естественный и поляризованный свет отличаются ненамного. Если для человека непонятно, почему, мы еще раз повторим: получить поляризованный свет сразу при излучении довольно непросто. Но выделить изо всех возможных хаотически направленных колебаний естественного света только некоторые конкретные гораздо проще. Сделать это можно с помощью специальных кристаллических или полимерных веществ.