Что такое поляризация света, кто придумал и как получить поляризованный свет
В современном мире любое применение должно обосновываться экономической эффективностью, удобством, простотой. Поляризация света все чаще встречается в жизни человека. На ее основе работает большинство приборов и устройств.
Что такое поляризация света
Термин поляризации дает оценку поперечных волн. Представляет состояние вектора колеблющейся величины в плоскости, поперечной направленности распространения волны.
Если тенденции колебаний светового вектора упорядочены, то освещение именуется поляризованным.
Колебания одинаковой частоты электромагнитных излучений могут иметь поляризирование:
- Линейную. Она перпендикулярно направлена распространению волны.
- Круговую. В связи с тенденцией верчения вектора индукции, поляризация правая либо левая.
- Эллиптическую. Возникает в промежутке с круговой и линейной поляризациями.
Кто открыл явление и что оно доказывает
В первый раз эксперименты согласно поляризации света поставлены в 1690 г Гюйгенсом (голландский ученый). Суть эксперимента в том, что ученый пропустил через исландский шпат световое излучение. При этом происходит поперечная анизотропия луча.
Данное проявление получило название парное лучепреломление. Если кристаллик вращать сравнительно тенденции начальной полупрямой, так крутятся тот и другой луч при выходе из кристалла.
В 1809 г. французский инженер Малюс Э. открывает закон, после названный в его честь. В его экспериментах освещение поочередно пропускается посредством двух одинаковых пластин турмалина. Сияние направлялось вертикально плоскости кристалла турмалина, вырезанного параллельно зрительной оси. Если луч на своем пути встречает два препятствия в виде кристаллов турмалина, то насыщенность прошедшего луча, изменяется от альфа угла между осями по закону Малюса и выражается:
Шотландский физик Никол Уильям изобрел в 1828 году поляризатор. Это прибор для получения линейно-поляризованного света (призма Никола). Через одиннадцать лет осуществил совмещение таких призм в единый прибор, что широко применяется и сегодня.
Откуда берется
Световой поток, который попадает в наше окружение, в основном неполяризован. Излучение от солнца, лампочек – свет, где вектор колеблется в разных направлениях. Если работа за компьютером и монитор жидкокристаллический, то в нем поляризованный источник.
Чтобы видеть поляризованный свет, надо естественный поток пропустить через анизотропную сферу. Она и есть поляризатор, который отрезает ненужные направления колебаний, сохраняя одно.
В числе поляризаторов применяются кристаллы. Одним из природных, часто применяемых – турмалин.
Еще методом извлечения поляризованного потока излучения является отражение с диэлектрика. Если луч опускается в рубеж области 2-ух сфер, поток делится на отображенный и надломленный. Лучи получаются отчасти поляризованными, при этом степень поляризации находится в зависимости от угла падения.
Как получить
Таким образом получить поляризование светового потока можно тремя способами:
- Отражением от диэлектриков. Где степень зависит от угла падения и степени преломления.
- Пропустить поток сияния через анизотропную среду. Луч, направленный на толстый кристалл, получит параллельное разъединение на выходе.
- Поляризатор (призма Николя).
Рекомендуем посмотреть видео на тему “Закон Малюса”.
Практическое применение явления поляризации света
Поляризование света интересно не только с научной точки зрения. Она нашла широкое применение на практике. Примеры применения:
- 3Д кинематография;
- очки от солнца с поляризацией – защищают глаза от отблесков солнца от воды и света фар встречных авто;
- фототехника – фильтры поляризационные;
- поляроиды применяются в геофизике при изучении свойств облака, при фотографировании затуманенных мест;
- поляриметры применимы в медицине при определении концентрации сахара в крови, при этом используется угол поворота плоскости поляризации.
В заключение
Поляризация света — природное явление не очень сложное для понимания человеком. Поэтому она находит широкое применение в человеческой деятельности.
Интересные факты? Оставьте комментарий, поделитесь статьей с друзьями в соцсетях.
Источник
Свет от солнца является поляризованным
При рассеянии света также происходит поляризация электромагнитных волн. Степень поляризации тем выше, чем меньше размеры частиц, на которых происходит рассеяние. Солнечный свет сильно поляризуется, рассеиваясь на молекулах воздуха, причем в разных направлениях относительно Солнца по-разному.
Поляризацию рассеянного света можно наблюдать с помощью николя или поляризационного светофильтра. А можно воспользоваться куском стекла, затемненным с одной стороны. Если на такое стекло падает луч под углом, близким к углу Брюстера, отраженный от него свет будет почти полностью поляризован. Колебания вектора напряженности в отраженном луче перпендикулярны к плоскости падения.
Если Солнце находится в зените, стекло нужно расположить приблизительно в 20 см над уровнем глаз, так чтобы отраженный луч шел к наблюдателю под углом, близким к углу Брюстера. Если теперь поворачиваться вокруг направления луча, идущего от Солнца, держа стекло так, чтобы в нем отражался один и тот же участок неба, то можно обнаружить, что изображение этого участка максимально яркое, если вы стоите лицом или спиной к Солнцу, и темнее, когда вы стоите под прямым углом к этому направлению. Это свидетельствует о поляризованности света, исходящего от этого участка неба. Солнечный свет сильно поляризован в направлении, перпендикулярном направлению на Солнце, а колебания вектора напряженности направлены перпендикулярно плоскости, проходящей через Солнце, наблюдаемую точку и глаз.
Если Солнце стоит низко на западе или востоке, можно проделать следующий эксперимент. Положите затемненное стекло на стол и посмотрите на отражение в нем небольших облаков, расположенных на высоте 
на юге или на севере, где в этом случае свет неба поляризован сильнее всего. Можно убедиться, что небольшие облака, с трудом различимые в воздухе, отчетливо отражаются в стекле. Это обусловлено тем, что свет их неполяризован и поэтому ослабляется в меньшей степени, чем поляризованный свет неба.
Поляризацию неба можно наблюдать и в сумерках при помощи призмы Николя, вращая ее вокруг оси. Выберите звезду, свет от которой едва различим, и посмотрите, как она будет видна при различных положениях призмы Николя. Так как свет звезды неполяризован, то она будет видна тем лучше, чем темнее фон. Изменение видимости звезды указывают на изменение яркости фона, а, следовательно, на поляризацию излучения неба.
Таким образом, если рассматривать сквозь поляризатор чистое голубое небо, так чтобы Солнце было сбоку, и при этом фильтр поворачивать, то ясно видно, что при некотором положении фильтра на небе появляется темная полоса.
Эту полосу некоторые люди могут заметить простым глазом (по данным академика Сергея Вавилова, этой способностью обладают 25–30 % людей) как желтоватую полоску с закругленными концами. Еще слабее заметны голубоватые пятнышки по краям от ее центра. Если плоскость поляризации света поворачивается, то поворачивается и желтая полоска. Она всегда перпендикулярна к направлению световых колебаний. Это так называемая фигура Гайдингера (или щетка Гайдингера), она открыта немецким физиком Гайдингером в 1845 г. Размеры ее весьма значительны, в 8 раз больше диаметра полной Луны, но яркость и контрастность очень малы. Желтая часть фигуры Гайдингера направлена к Солнцу. Это показывает, что колебания вектора напряженности рассеянного света происходят перпендикулярно к плоскости, проходящей через Солнце, молекулу воздуха и глаз.
При определенном навыке и после долгих тренировок многим удается видеть фигуру Гайдингера и без поляризатора, невооруженным глазом. Свыше столетия назад Л.Н. Толстой очень точно описал это явление, определяемое поляризацией света неба и особенностями зрения, о которых не только тогда, но и теперь знает лишь узкий круг специалистов. В 1855 г. в своей повести «Юность», по-видимому, совершенно не подозревая физического смысла явления, он очень четко описал желтое поляризационное пятнышко на фоне неба: «Иногда оставшись один в гостиной, когда Любочка играет какую-нибудь старинную музыку, я невольно оставляю книгу и вглядываюсь в растворенную дверь балкона, в кудрявые висячие ветви высоких берез, на которых уже заходит вечерняя тень, и в чистое небо, на котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное, желтоватое пятнышко и снова исчезает. ».
До сих пор не вполне понятно, каким образом глаз видит поляризованный свет. Герман Гельмгольц, немецкий физик и естествоиспытатель, много занимавшийся физиологией зрения, считал, что причина кроется в структуре сетчатки. Светочувствительные клетки глаза обладают анизотропией и поглощают синие лучи сильнее, чем желтые. Однако это не объясняет, почему некоторые видят фигуру Гайдингера в виде синей полосы с желтыми пятнами по бокам. Возможно, это связано с различиями в индивидуальной структуре сетчатки. Но все равно остается непонятным, почему, когда глаз устает, некоторым кажется то желтое, то синее пятно.
Из древних скандинавских саг известно, что викинги почти тысячу лет назад пользовались поляризацией неба для навигации. Они смотрели на облачное небо через специальный «солнечный камень», который позволял увидеть на небе темную полоску в 90° от направления на Солнце, если облака не слишком плотны. По этой полосе можно судить, где находится Солнце. «Солнечным камнем» мог быть прозрачный минерал, обладающий поляризационными свойствами, например, исландский шпат. Появление на небе более темной полосы объясняется тем, что проникающий через облака свет неба остается в какой-то степени поляризованным.
Поляризационные эффекты наблюдаются и на таких небесных оптических явлениях, как радуга и гало. Вращая поляризатор, можно сделать радугу или гало почти невидимыми. Это обусловлено тем, что в образовании и радуги, и гало наряду с преломлением участвует отражение света, а оба эти процесса приводят к поляризации. Поляризованы и некоторые виды полярного сияния.
Многие насекомые, например пчелы, различают поляризацию света почти так же хорошо, как цвет или яркость. И так как поляризованный свет часто встречается в природе, им дано увидеть в окружающем мире нечто такое, что человеческому глазу совершенно недоступно. Им достаточно видеть небольшой кусочек синего неба в разрывах облаков, чтобы точно определить направление, ориентируясь в пространстве по степени поляризации неба.
Поляризован и свет некоторых астрономических объектов. Наиболее известный пример – Крабовидная туманность в созвездии Тельца. Крабовидная туманность – это результат взрыва сверхновой звезды. Хотя взрыв сверхновой в Крабовидной туманности произошел 900 лет назад, туманность продолжает расширяться и светиться. Свет, испускаемый ею, – это так называемое синхротронное излучение, возникающее, когда быстро летящие электроны тормозятся магнитным полем. Синхротронное излучение всегда поляризовано.
На рисунке области различной поляризации окрашены в разные цвета. Составление карт поляризации света источника помогает понять, какие физические процессы рождают такое излучение.
На снимке, полученном с помощью усовершенствованной камеры для обзоров на космическом телескопе им. Хаббла, приведена фотография туманности Яйцо. Цвета на фотографии условны и предназначены для выделения направления поляризации.
Звезда в центре этой туманности сбрасывает оболочки газа и пыли и медленно превращается в белый карлик. Туманность Яйцо находится от Земли на расстоянии одного светового года. На небе ее можно увидеть в созвездии Лебедя. Плотные слои пыли закрывают от нас центральную звезду, а пылевые оболочки, находящиеся дальше от центра, отражают свет этой звезды. Эффект поляризации проявляется в том, что преимущественное отражение пылью испытывают световые волны, вектор напряженности которых колеблется в плоскости, проходящей через наблюдателя и центральную звезду. Определив ориентацию поляризованного света для туманности Яйцо, можно определить местоположение спрятанного источника.
Поляризация света помогает изучать свойства космической пыли. В обычном излучении звезд имеются волны, колеблющиеся во всех направлениях. Когда поток света встречает на своем пути сферическую пылинку, все эти волны поглощаются одинаково. Но если пылинка вытянута вдоль одной оси, то колебания, параллельные этой оси, поглощаются сильнее, чем перпендикулярные. В потоке света, прошедшем через облако вытянутых, одинаково ориентированных пылинок, присутствуют уже не все направления колебаний, то есть излучение становится поляризованным. Измерение степени поляризации света звезд позволяет судить о форме и размерах пылевых частиц. А иногда по пути поляризации можно определить и электрические свойства межзвездной пыли.
В пределах Солнечной системы наблюдения поляризации электромагнитного излучения позволяют получить ценную информацию о химическом составе облаков, покрывающих планеты, о составе и строении комет и других объектов. Так, по поляризации излучения было обнаружено заметное количество серной кислоты в атмосфере Венеры. Поляризованное излучение комет объясняется рассеянием солнечного света на ориентированных ассиметричных пылинках в голове и хвосте кометы, а также рассеянием солнечного излучения молекулами плотной газовой оболочки, окружающей ядро кометы. Изучение поляризованного излучения комет позволило установить силикатную природу пылинок, входящих в состав головы ряда исследованных комет.
Источник
Поляризация света
Начало XIX века для физики ознаменовалось развитием волновой теории света, которым занимались ученые Т. Юнг и О. Френель. В то время природа световых волн оставалась неизвестной. Изначально предполагалось, что свет является распространяющимися в некоторой гипотетической среде – эфире продольными волнами. Однако в процессе изучения явлений дифракции и интерференции вопрос о том, продольные или поперечные световые волны, стал второстепенен. На тот момент казалось невозможным, что свет – это поперечные волны, по той причине, что по аналогии с механическими волнами пришлось бы признать эфир твердым телом, ведь поперечные механические волны не обладают возможностью распространяться в газообразной или же жидкой среде.
Несмотря ни на что, постепенно копились свидетельствующие в пользу поперечности световых волн экспериментально полученные факты.
Еще в конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата ( CaCO 3 ) обладает свойством, позволяющим ему раздваивать проходящие сквозь него лучи. Данное явление было названо двойным лучепреломлением (рис. 3 . 11 . 1 ).
Рисунок 3 . 11 . 1 . Прохождение света через кристалл исландского шпата (двойное лучепреломление). При повороте кристалла относительно направления первоначального луча оба луча, которые проходят через кристалл, тоже поворачиваются.
Поляризация света
Поляризация света — это явление выделения из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.
Как же получить поляризованный свет?
Французским инженером Э. Малюсом в 1809 году был открыт названный в его честь закон. В экспериментах Малюса свет последовательно пропускался сквозь пару одинаковых пластинок из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватого оттенка). Они могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ , как это проиллюстрировано на рисунке 3 . 11 . 2 .
Рисунок 3 . 11 . 2 . Наглядный пример закона Малюса.
Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos 2 φ :
Двойное лучепреломление точно также, как и закон Малюса не может быть объяснено с точки зрения теории продольных волн. Для продольных волн направление распространения луча представляет собой ось симметрии. В них любые направления в плоскости, нормальной, то есть перпендикулярной, лучу, равноправны.
В поперечной волне, к примеру, в бегущей по резиновому жгуту волне, направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны (рис. 3 . 11 . 3 ).
Рисунок 3 . 11 . 3 . Поперечная волна в резиновом жгуте. Частицы совершают колебательные движения вдоль оси y . При повороте щели S затухнет волна.
Выходит, что асимметрия относительно направления распространения луча – это решающий признак, отличающий поперечную и продольную волны. Первым высказал догадку о поперечности световых волн Т. Юнг в 1816 году. Независимо от Юнга Френель тоже выдвинул концепцию поперечности световых волн, и даже смог обосновать ее с помощью большого количества опытов. Им была создана теория двойного лучепреломления света в кристаллах.
В середине 60 -х годов XIX века Максвелл, взяв за основу совпадение известных значений скоростей распространения света и электромагнитных волн, сделал вывод о природе света. Ученый решил, что свет – это частный случай электромагнитных волн. К тому времени экспериментальным путем была подтверждена поперечность световых волн. По этой причине Максвелл предположил, что она является еще одним важным аргументом в пользу его выводов насчет электромагнитной природы света.
Пропала необходимость во введении особой среды распространения волн – эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело. Благодаря этому электромагнитная теория света приобрела должную стройность.
В условиях электромагнитной волны вектора E → и B → направлены перпендикулярно друг к другу и находятся в плоскости, которая перпендикулярна направлению распространения волны плоскости. (рис. 2 . 6 . 3 )
Рисунок 2 . 6 . 3 . Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы E → , B → и υ → взаимно перпендикулярны.
В каждом из процессов взаимодействия света с веществом электрический вектор E → играет основную роль. По данной причине его называют световым вектором.
Виды поляризации света
Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, то подобная волна носит название линейно поляризованной или плоско поляризованной. Отметим, что термин поляризации волн ввел Малюс применительно к поперечным механическим волнам.
Плоскость, в которой колеблется световой вектор E → , носит название плоскости колебаний (то есть плоскость y z , изображенная на рисунке 2 . 6 . 3 ), а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор B → , является плоскостью поляризации (плоскость x z на рисунке 2 . 6 . 3 ).
В случае, когда две поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях монохроматические волны распространяются вдоль одного и того же направления, в общем случае результатом их сложения будет эллиптически поляризованная волна (смотрите рисунок 3 . 11 . 4 ).
Рисунок 3 . 11 . 4 . Сложение двух взаимно перпендикулярно поляризованных волн и образование эллиптически поляризованной волны.
В нормальной (то есть перпендикулярной) направлению распространения волны эллиптически поляризованной волне в каждой плоскости P конец результирующего вектора E → за период светового колебания обходит некоторый эллипс, носящий название эллипса поляризации.
Его размер и форма характеризуются амплитудами a x и a y линейно поляризованных волн и фазовым сдвигом Δ φ между ними.
Волна, обладающая круговой поляризацией ( a x = a y , Δ φ = ± π 2 ) представляет собой частный случай эллиптически поляризованной волны.
Данные, получаемые при просмотре рисунка 3 . 11 . 5 , дают представление о пространственной структуре эллиптически поляризованной волны.
Рисунок 3 . 11 . 5 . Электрическое поле в эллиптически поляризованной волне.
Линейно поляризованный свет производится лазерными источниками. В случае отражения или рассеяния свет может стать поляризованным. В частности, голубой свет от неба частично или полностью поляризован. Однако, свет, который испускают обычные источники, такие как, например, солнечный свет и излучение ламп накаливания, является неполяризованным. Свет, исходящий от подобных источников, в любой момент состоит из вкладов огромного числа независимо излучающих атомов, обладающими различной ориентацией светового вектора в волнах, которые они излучают. По этой причине в результирующей волне вектор E → хаотично меняет свою ориентацию во времени, из-за чего в среднем все направления колебаний получаются равноправными.
Неполяризованный свет также называют естественным светом.
В любой момент времени вектор E → может быть спроецирован на две взаимно перпендикулярные оси (смотри рисунок 3 . 11 . 6 ).
Рисунок 3 . 11 . 6 . Разложение вектора E → по осям О х и О у .
Это значит, что любую волну, вне зависимости от того, поляризованная она или же нет, можно представить в виде суперпозиции двух линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях волн: E → ( t ) = E x → ( t ) + E y → ( t ) . В поляризованной волне обе составляющие E x ( t ) и E y ( t ) когерентны, то есть разность фаз между E x ( t ) и E y ( t ) не претерпевает изменений, а в неполяризованной – некогерентны, значит разность фаз представляет собой случайную функцию времени.
Явление двойного лучепреломления света основывается на том, что в кристаллических веществах показатели преломления линейно поляризованных во взаимно нормальных направлениях волн, зачастую различны. По данной причине кристалл раздваивает лучи, которые проходят сквозь него так, как это показано на рисунке 3 . 11 . 1 . Два луча на выходе кристалла линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях.
Кристаллы, в которых происходит двойное лучепреломление, называются анизотропными.
Прибегая к разложению вектора E → на составляющие по осям, можно объяснить закон Малюса (рис. 3 . 11 . 2 ).
У значительной части кристаллов поглощение света кардинально зависимо от направления электрического вектора в световой волне. Такое явление носит название дихроизма.
В частности, данным свойством обладают использованные в знакомых нам опытах Малюса пластины турмалина. При некоторой толщине пластинка турмалина практически полностью поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн (как, к примеру, E x ) и частично пропускает вторую волну (то есть E y ).
Направление колебаний электрического вектора в прошедшей волне является разрешенным направлением пластины.
Пластинка турмалина может применяться как для создания поляризационного света, то есть в качестве поляризатора, так и для анализа характера поляризации света, как анализатор.
В наше время часто применяются искусственные дихроичные пленки, называющиеся поляроидами.
Поляроиды пропускают практически всю волну разрешенной поляризации и не пропускают поляризованную в нормальном направлении волну. Исходя из всего вышесказанного, можно заявить, что поляроиды – это идеальные поляризационные фильтры.
Разберем последовательное прохождение естественного света через пару идеальных поляроидов П 1 и П 2 (рисунок 3 . 11 . 7 ), чьи разрешенные направления развернуты друг относительно друга на угол φ . Первый поляроид в приведенном тандеме занимает место поляризатора. Он преобразовывает естественный свет в линейно поляризованный. Второй поляроид применяется в качестве анализатора.
Рисунок 3 . 11 . 7 . Прохождение естественного света через два идеальных поляроида. y y ‘ представляет собой разрешенные направления поляроидов.
Обозначение амплитуды линейно поляризованной волны после прохождения света через первый поляроид в виде E 0 = I 0 2 приводит к тому, что пропущенная вторым поляроидом волна приобретает амплитуду E = E 0 cos φ . Таким образом, интенсивность I линейно поляризованной волны на выходе второго поляроида может быть записана в виде следующего выражения:
I = E 2 = E 0 2 cos 2 φ = 1 2 I 0 cos 2 φ .
Выходит, что в электромагнитной теории света закон Малюса находит естественное объяснение, чья основа заключается в разложении вектора E → на его составляющие.
Рисунок 3 . 11 . 8 . Модель поляризации света.
Рисунок 3 . 11 . 9 . Модель закона Малюса.
Источник