Поляризация света простыми словами: что это такое, типы, примеры

Если свободный конец веревки, привязанной к устойчивому объекту, регулярно “помахивать”, то на ней образуется поперечная волна. Она может быть колеблющейся в одной плоскости – вертикальной, горизонтальной или под определенным углом к горизонтали. Такая волна называется поляризованной. Если веревка вибрирует неравномерно, в разных плоскостях, через нее будет распространяться неполяризованная волна. Свет, который является электромагнитной волной, ведет себя подобно волне на веревке. Это свойство используется, например, в 3D-очках для различения изображения для левого и правого глаза.

Поперечная волна называется плоскополяризованной, eсли колебания во всех ее точках происходят только в одной плоскости.

Применительно к свету термин поляризация ввел в 1704-1706 г. Ньютон.

Поляризованная световая волна

Свет – это волна электромагнитного излучения, т.е. возмущение электрического и магнитного поля, перемещающегося в пространстве. Для простоты мы будем говорить о монохроматическом свете, то есть о гармонической волне с определенной частотой и длиной волны.

Электромагнитная волна – это поперечная волна. Это означает, что его электрическое поле E всегда перпендикулярно (колеблется перпендикулярно) направлению распространения волны. Мы говорим, что волна поляризована, если электрическое поле в любой точке имеет одинаковое направление. Пример поляризованной волны показан на рисунке 1.

Итак, поляризация света описывает направление колебаний вектора электрического поля.

Поляризованная волна (от англ. polarized wave) – волна, электрическое поле которой колеблется в одной плоскости.

Поляризованная волна
Рис. 1. Поляризованная волна

Волна, показанная на рис. 1, колеблется в вертикальном направлении. Направление колебаний поляризованной волны называется направлением поляризации. Это направление может быть любым – волна может колебаться вертикально (рис. 2. b), горизонтально (рис. 2. a) или под определенным углом (рис. 2. c).

Волны с различными направлениями поляризации
Рис. 2. Волны с различными направлениями поляризации

Неполяризованная волна

Не все волны поляризованы. В некоторых волнах направление электрического поля хаотично меняется от места к месту. Такая волна называется неполяризованной (рис. 3).

Неполяризованная волна
Рис. 3. Неполяризованная волна

Такова природа света, излучаемого нагретым металлом, например, вольфрамовой нитью обычной лампочки. Свет, излучаемый светящимся атомарным газом, например, неоновой лампой (светятся атомы неона) или пламенем газовой горелки с соляным раствором (светятся атомы натрия), также неполяризован.

Используя последний пример, мы объясним, почему эти волны неполяризованы. В результате нагревания тела атомы начинают вибрировать и светиться, чтобы избавиться от избытка энергии. Направления колебаний этих атомов случайны, и поэтому направление электрического поля излучаемой электромагнитной волны также изменяется случайным образом. На рис. 4 мы видим три атома, которые являются источником волн с разной поляризацией. Результатом их объединения является неполяризованная волна.

Колеблющиеся атомы являются источником волн с различной поляризацией
Рис. 4. Колеблющиеся атомы являются источником волн с различной поляризацией

Разложение любой волны на две поляризованные волны

Каждая волна может быть разложена на две поляризованные волны с произвольно выбранными перпендикулярными направлениями электрического поля. Это следует из простого факта: каждый вектор на плоскости может быть представлен как сумма двух векторов, перпендикулярных друг другу. Это относится как к поляризованным, так и к неполяризованным волнам.

Такое разложение поляризованной волны с “любым” направлением поляризации на волну с вертикальным электрическим полем (зеленая волна) и горизонтальным электрическим полем (красная волна) показано на рис. 5.

Разложение поляризованной волны
Рис. 5. Разложение поляризованной волны с “любым” направлением поляризации на волну с вертикальным электрическим полем (зеленая волна) и горизонтальным электрическим полем (красная волна)

Поляризатор

Поляризатор – это устройство, которое из падающего неполяризованного света пропускает только те электромагнитные волны, электрический вектор которых лежит в направлении, заданном поляризатором.

Система, называемая поляризатором, работает следующим образом. У него есть определенная направленность. На рис. 6 это горизонтальное направление.

  1. Если на поляризатор падает поляризованная волна, в которой направление электрического поля совпадает с направлением выделенной волны, то она проходит через него без изменения амплитуды (рис. 6. a).
  2. Если на него падает поляризованная волна, в которой направление электрического поля перпендикулярно выделенному направлению, то она вообще не проходит (рис. 6. b).
  3. Если на него падает поляризованная волна, у которой направление поляризации образует ненулевой угол с выделяемым направлением, то проходит только ее составляющая вдоль выделяемого направления (рис. 6. c и 6. d). Пройдя через него, волна, очевидно, становится поляризованной.
  4. Если на поляризатор падает неполяризованная волна, то через него проходит только ее составляющая вдоль выделенного направления. Очевидно, что это поляризованная волна. Таким образом, поляризатор преобразует неполяризованную волну в поляризованную.
Через поляризатор проходит только составляющая напряженности электрического поля
Рис. 6. Через поляризатор проходит только составляющая напряженности электрического поля в выделенном направлении – здесь горизонтальном.

В настоящее время для поляризации света обычно используются специальные пластиковые пленки, называемые поляризационными фильтрами. Такие пленки используются в компьютерных мониторах.

Поляризационный фильтр (от англ. polarizing filter) – широко известен как поляроид; прозрачная пластина или пленка, которая действует как поляризатор, т.е. устройство, которое из падающего неполяризованного света пропускает только те электромагнитные волны, электрический вектор которых лежит в направлении, указанном поляризатором.

Частично поляризованный свет

Есть и другая возможность. Электрические поля световой волны принимают все возможные направления, но вероятность их возникновения неодинакова. Для определенного направления он наибольший, а для перпендикулярного ему направления – наименьший. Когда мы исследуем такой свет с помощью вращающегося поляризатора, мы получаем результат, показанный на рис. 7. Мы говорим о таком свете, что он частично поляризован.

Частично поляризованный свет
Рис. 7. График зависимости интенсивности света от угла поворота поляризатора, полученный при испытании частично поляризованного света.

Поляризация света при отражении

В повседневной жизни мы постоянно наблюдаем прохождение света через стеклопакеты. Мы видим, что обычно свет попадает в стекло и отражается от его поверхности одновременно. Однако оказалось, что при правильном выборе источника света и угла наклона свет может вообще не отражаться. Это определяется поляризацией световой волны.

Предположим, что луч поляризованного света падает на поверхность двух сред под углом α ≠ 0⁰. Плоскость, содержащая падающий луч и нормаль, называется плоскостью падения. На рисунке 8 эта плоскость обозначена синим цветом.

Когда мы рассматриваем падение поляризованного света на поверхность, то должны различать два основных случая. Они показаны на рис. 8. В обоих случаях луч света движется по прямой линии x:

  • a. Электрическое поле (красные векторы) электромагнитной волны перпендикулярно плоскости падения (синяя плоскость),
  • b. Электрическое поле E гармонической электромагнитной волны параллельно плоскости падения (красные векторы лежат на синей плоскости). Затем это поле образует угол α с границей среды. Этот угол также лежит в плоскости падения (синяя плоскость).
Волна, падающая на поверхность
Рис. 8. Волна, падающая на поверхность

Было исследовано, как зависит величина электрического поля отраженного света от угла падения для вещества с показателем преломления n в этих ситуациях. На рис. 9 показано отношение величины амплитуды электрического поля отраженного света к амплитуде падающего света E0 при прохождении света из воздуха в среду с показателем преломления n=1,5 в зависимости от угла падения. Таким материалом является, например, стекло.

Отношение амплитуды электрического поля
Рис. 9. Отношение величины амплитуды электрического поля отраженного света к амплитуде падающего света в зависимости от угла падения.

a. Синяя кривая соответствует поляризации (a) на рис. 8. Для перпендикулярного падения, т.е. α = 0⁰, отношение E/E0 равно 0,2. По мере увеличения угла α увеличивается величина E/E0. Это означает, что все большая часть падающего света отражается, а не преломляется. Отношение E/E0 достигает 1 при значениях угла α, приближающихся к 90°. Тогда весь свет отражается.

b. Красная кривая соответствует поляризации (b) на рис. 8. Для α = 0⁰, т.е. света, падающего перпендикулярно поверхности, отношение E/E0 равно 0,2. Тогда нет никакой разницы между случаем (a) и случаем (b). По мере увеличения угла α величина E/E0 первоначально вообще не увеличивается, а наоборот уменьшается. Свет отражается все меньше и меньше. Величина E/E0 достигает нуля для определенного угла. Этот угол αB называется углом Брюстера. Он зависит от показателя преломления вещества. Для n = 1,5 он равен αB = 56,3°. Для углов, превышающих αB, отношение E/E0 увеличивается и приближается к единице при значениях угла α, приближающихся к 90°. Тогда весь свет ведет себя как в случае (a).

Угол Брюстера удовлетворяет простому соотношению tg αB = n .

Полная поляризация света при отражении

Рассмотрим далее, что произойдет, если неполяризованный свет, например, от обычной лампочки, будет падать на стекло под углом Брюстера. Такая волна может быть разложена на две поляризованные волны с перпендикулярными направлениями электрического поля, одна типа (a) и другая типа (b).

Каждая волна может быть разложена на две поляризованные волны с произвольно выбранными перпендикулярными направлениями электрического поля. Это вытекает из простого факта: каждый вектор на плоскости может быть представлен как сумма двух векторов, перпендикулярных друг другу (рис. 10). Это справедливо как для поляризованной, так и для неполяризованной волны.

Разложение вектора электрического поля на два перпендикулярных направления
Рис. 10. Разложение вектора электрического поля на два перпендикулярных направления

В случае неполяризованной волны, когда мы разложим ее на составляющие, окажется, что волна (a) будет частично отражена (синяя кривая на рис. 9.), а волна (b) не будет отражена вообще, но полностью проникнет в стекло (красная кривая на рис. 9.). Таким образом, отраженный свет будет содержать только один компонент, т.е. он будет полностью поляризован, с направлением электрического поля, как на рис. 2a.

Частичная поляризация света при отражении

Для всех углов α, отличных от αB, в отраженном свете присутствуют обе составляющие: (a) и (b). За исключением α = 0⁰ и α до 90°, компонент (a) в среднем имеет большее значение, чем компонент (b). При вращении поляризатора наблюдаемая интенсивность света изменяется. Для некоторых углов это самый высокий угол, а для других – самый низкий. Однако полного исчезновения интенсивности света не наблюдается. График интенсивности света в зависимости от угла, на который был повернут поляризатор, показан на рис. 11.

График интенсивности света в зависимости от угла, под которым установлен поляризатор
Рис. 11. График интенсивности света в зависимости от угла, под которым установлен поляризатор, для углов падения, отличных от угла Брюстера

Мы называем такой свет частично поляризованным.

Типы поляризации

Поляризация подразделяется на различные типы в зависимости от того, как ведут себя направление колебаний электрического поля и его величина.

  • Линейная поляризация: направление колебаний электрического поля постоянно, но его величина периодически меняется.
  • Круговая поляризация: здесь величина электрического поля постоянна, но направление его колебаний меняется с фиксированной угловой скоростью.
  • Эллиптическая поляризация: при этом типе поляризации изменяется как величина электрического поля, так и направление его колебаний.

Название типов поляризации происходит из того факта, что при взгляде спереди вектор электрического поля имеет следующие геометрические формы (см. рисунок 12).

Типы поляризации
Рис. 12. Типы поляризации света

При линейной поляризации, например, вектор электрического поля движется вдоль линии, тогда как при круговой поляризации он движется вдоль окружности.

Примеры использования поляризации света

Наконец, мы приводим краткий список областей, в которых поляризация света имеет решающее значение. К ним относятся

  • жидкокристаллические дисплеи (также называемые ЖК-дисплеи),
  • солнцезащитные очки,
  • 3D фильмы,
  • анализ механических напряжений в прозрачных пластмассах,
  • в фотографии.

Список использованной литературы

  1. Жилко В. В., Маркович Я. Г. Физика. 11 класс. – 2011.
  2. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник.
  3. Касьянов В. А. Физика, 11 класс. – 2004.
  4. Какичашвили Ш. Д. Поляризационная голография / отв. ред. Ю. Н. Денисюк. — Л.: «Наука», 1989. — 141 с.