Поляризация света (Естественный и поляризованный свет. Анализ поляризации. Степень поляризации. Описание поляризации с помощью параметров Стокса)

поляризация света

1.1.  Естественный и поляризованный свет

Поляризация – свойство света, связанное с поперечностью электромагнитных волн и описывающее пространственное поведение векторов электрического и магнитного полей. Из уравнений Максвелла для монохроматических волн (4.1) вытекает, что, волновой вектор k, вектора E и H взаимно ортогональны и составляют правую тройку (рис. 4.1).

                            (4.1)

 Это позволяет ограничиться рассмотрением ориентации вектора электрической напряженности. Именно его поведение и определяет состояние поляризации света.

Проекции электрического вектора световой волны, распространяющейся вдоль оси Z, могут быть записаны как

.

Исключая из этих уравнений переменную часть фазы wt–kz, получаем уравнение, описывающее движение конца вектора E в плоскости XY:

,                (4.2)

где d = d_y – d_x – разность фаз проекций электрического вектора. В общем случае траектория, задаваемая (4.2) представляет собой эллипс (см. рис. 4.2). В соответствии с формой описываемой кривой, такая поляризация называется эллиптической. Вид эллипса зависит от соотношения амплитуд проекций и разности фаз d. Так при d = mp уравнение (4.2) переходит в

.                        (4.3)

Это – уравнение отрезка прямой в плоскости XOY. При распространении волны колебания вектора E происходят в фиксированной плоскости, называемой плоскостью поляризации, поэтому поляризация волны называется линейной или плоской. Именно такая волна изображена на рис. 4.1, плоскостью поляризации является плоскость XOZ.

Если амплитуды проекций равны E_0x = E_0y = E₀ и фазовый сдвиг , то из (4.2) получаем:

,                                                               (4.4)

то есть уравнение окружности. Такая поляризация называется круговой или циркулярной.

Несколько примеров эллипсов поляризации при фиксированном отношении E_x / E_y и изменении d показаны на рис. 4.3. Видно, что описываемые кривые могут отличаться не только формой, но и направлением вращения. В соответствии с этим, эллиптическая или круговая поляризация может быть правой или левой. Поляризация считается правой, если электрический вектор вращается по часовой стрелке (при наблюдении навстречу волне).

 Если бы с помощью какого-либо прибора удалось отследить пространственное поведение вектора E в световом пучке, испущенном обычным (нелазерным) источником света, то обнаружилось бы, что вместо вращения по эллипсу он хаотически меняет свою ориентацию (рис. 4.4а). Такой свет называется неполяризованным или естественным. Причиной его возникновения является наличие в источнике большого числа независимых друг от друга элементарных излучателей (атомов). Каждый отдельный атом испускает свет со своей поляризацией, однако, в результате сложения всех колебаний общий характер движения вектора E приобретает хаотический характер.

Возможна ситуация, когда в источнике существует некоторая корреляция между излучателями. Тогда, несмотря на хаотичность движения вектора E, вероятности разных ориентаций E неодинаковы (рис. 4.4б). Это – частично поляризованный свет. Наконец, если все атомы испускают свет с одинаковой поляризацией, излучение источника в целом будет полностью поляризованным. Такая ситуация типична для лазеров, в которых атомы взаимодействуют друг с другом через поле излучения (рис. 4.4в,г).

1.2.  Анализ поляризации. Степень поляризации

Для анализа поляризации света применяются устройства, называемые поляризаторами. С технической стороны поляризаторы могут быть самых разных типов: кристаллические, пленочные, отражательные и т. п. Некоторые типы поляризаторов и принципы их работы будут рассмотрены ниже. Но независимо от конкретного устройства, поляризатор пропускает свет с определенной ориентацией вектора E. Таким образом, прошедший через поляризатор свет всегда линейно поляризован.

Если и падающий на поляризатор свет также линейно поляризован, то пройдет только проекция электрического вектора на направление пропускания поляризатора (рис. 4.5.). Следовательно,  и ,                                          (4.5)

где j – угол между плоскостью поляризации падающей волны и направлением пропускания поляризатора. Соотношение (4.5) называется законом Малю.

Если падающий свет неполяризован, то в нем присутствуют компоненты с любыми ориентациями вектора E, т. е. с любыми j. Усредняя (4.5) по углам, получаем: . Значит, при любой ориентации поляризатора, через него проходит половина интенсивности естественного света.

Из вышесказанного видно, что типы поляризации световых волн отличаются большим разнообразием. Поэтому необходимо ввести количественную характеристику – степень поляризации. Определение степени поляризации основано на представлении частично поляризованного света как смеси естественной I_ест и поляризованной I_пол компонент:

                                                             (4.6)

Нетрудно видеть, что степень поляризации может изменяться в пределах 0 £ P £ 1. При этом значение P = 1 соответствует полностью поляризованному свету (с любым типом поляризации), а P = 0 – естественному свету. Все промежуточные значения соответствуют частично поляризованному свету.