Поперечность световых волн выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряжённости электрического поля Е и напряжённости магнитного поля Н перпендикулярны направлению распространения волны. Векторы Е и Н выделяют определённые направления в пространстве, занятом волной. Кроме того, Е и Н почти всегда (об исключениях см. ниже) взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния поляризации света требуется знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор Е.
Световая волна, испускаемая отдельно взятым элементарным излучателем (атом, молекула) в единичном акте излучения, всегда поляризована полностью. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа элементарных излучателей, что приводит к хаотическому распределению ориентаций вектора E в пространстве. Подобное излучение называется неполяризованным (естественным) светом, а вектор Е, как и всякий вектор, всегда можно представить в виде суммы его проекций на 2 взаимно перпендикулярных направления (выбираемых в плоскости, поперечной направлению распространения света). В естественном свете разность фаз между такими проекциями непрерывно и хаотически меняется. В полностью поляризованном свете эта разность фаз строго постоянна, т. е. взаимно перпендикулярные компоненты Е когерентны. Создав определённые условия на пути распространения естественного света, можно выделить из него поляризованную (полностью или частично) составляющую. Кроме того, полная или частичная поляризация света возникает в ряде природных процессов испускания света и его взаимодействия с веществом.
Полную поляризацию монохроматического света характеризуют проекцией траектории конца вектора Е в каждой точке луча на плоскость, перпендикулярную лучу (рисунок 1.1). В общем случае т. н. эллиптической поляризации такая проекция – эллипс, что связано с постоянством частоты колебаний и разности фаз между взаимно перпендикулярными компонентами Е в монохроматической волне. Для полного описания эллиптической поляризации света необходимо знать направление вращения Е по эллипсу (правое или левое), ориентацию осей эллипса и его эксцентриситет (рис. 2).
Рисунок 1.1 – Колебания проекций вектора Е световой волны в системе координат х, у, z,
z – направление распространения волны (а); б и в – мгновенные изображения колебаний
и соответствующей огибающей концов вектора Е в разных точках волны для случая,
когда колебания Ex на четверть периода (p) опережают колебания Ey
Рисунок 1.2 – Возможные направления вращения вектора E и направления осей
эллипса поляризации
Наибольший интерес представляют предельные случаи эллиптической поляризации света – линейная поляризация (разность фаз Dj=±np, где n – целое число, эллипс вырождается в отрезок прямой – рисунки 1.2а и 1.2д) и круговая (циркулярная) поляризация (Dj=±(2n+1)p/2, эллипс поляризации превращается в окружность, рисунок 1.2в). В сложных неоднородных световых волнах (например, в металлах или при полном внутреннем отражении, рис) мгновенные направления векторов Е и Н уже не связаны простым соотношением ортогональности, и для полного описания поляризации света в таких волнах требуется знание поведения каждого из этих векторов по отдельности (рисунки 1.2б, 1.2 г и 1.2е).
Если фазовое соотношение между компонентами Еx и Еу меняется за времена, много меньшие времени измерения поляризации света, нельзя говорить о полной поляризации света. Однако может случиться, что в составляющих пучок света монохроматических волнах Е меняется не совершенно хаотически, а между взаимно перпендикулярными компонентами Е существует некоторый преимущественный фазовый сдвиг (фазовая корреляция), сохраняющийся в течение достаточно длительного времени. Физически это означает, что в поле световой волны одна из компонент вектора Е всегда больше другой (Еx¹Еу). Степень подобной фазовой корреляции в таком (частично поляризованном) свете описывают степенью поляризации света р:
(1.1)
где индексы 1 и 2 относятся к интенсивностям I света двух ортогональных поляризаций. Очевидно, что р может меняться от 0 до 100%, отражая все количественные градации состояния поляризации света. Однако следует иметь в виду, что свет, проявляющийся в одних опытах как неполяризованный, в других может оказаться полностью поляризованным – с поляризацией, меняющейся во времени, по сечению пучка или по спектру.
К частичной или полной поляризации света может приводить множество физических процессов. Это, например, отражение и преломление света, при которых поляризация света обусловлена различием оптических характеристик границы раздела двух сред для компонент светового пучка, поляризованных параллельно и перпендикулярно плоскости падения. Свет может поляризоваться при прохождении через среды, обладающие естественной или вызванной внешними воздействиями (индуцированной) оптической анизотропией (вследствие неодинаковости коэффициентов поглощения света при различных состояниях поляризации света, например при правой и левой круговых поляризациях - т. н. круговой дихроизм, являющийся частным случаем плеохроизма; вследствие различия преломления показателей среды для лучей различных линейных поляризаций - войного лучепреломления. Очень часто полностью поляризовано излучение лазеров; одной из основных причин поляризации света в лазерах является специфический характер вынужденного излучения, при котором поляризации испускаемого фотона и фотона, вызвавшего акт испускания, абсолютно тождественны; таким образом, при лавинообразном умножении числа испускаемых фотонов в лазерном импульсе их поляризации могут быть совершенно одинаковыми. Поляризация возникает при резонансном излучении в парах, жидкостях и твёрдых телах. Поляризация при рассеянии света столь характерна, что её исследование - один из основных способов изучения как особенностей и условий самого рассеяния, так и свойств рассеивающих центров, в частности их структуры и взаимодействия между собой. В определённых условиях сильно поляризовано люминесцентное свечение, особенно при возбуждении его поляризованным светом. Поляризация весьма чувствительна к величине напряжённости и ориентации электрических и магнитных полей; в сильных полях компоненты, на которые расщепляются спектральные линии испускания, поглощения и люминесценции газообразных и конденсированных систем, оказываются поляризованными.
1.2 Хроматическая поляризация света
Одним из эффектов интерференции поляризованных лучей света является хроматическая поляризация света, связанная с зависимостью всех интерференционных явлений от длины волны излучения. Она проявляется, в частности, в окрашивании интерференционной картины, возникающей при интерференции белого света.
Обычная схема получения картины хроматической поляризации света в параллельных лучах приведена на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 - Схема наблюдения интерференции поляризованных лучей
в параллельном световом потоке (N1 - поляризатор, N2 - анализатор; К - пластинка
толщиной l, вырезанная из одноосного двулучепреломляющего кристалла параллельно
его оптической оси)
В пластинке К, вырезанной из двулучепреломляющего одноосного кристалла параллельно его оптической оси ОО и установленной перпендикулярно пучку, плоскополяризованный луч разделяется на составляющую Ае с колебаниями электрического вектора, параллельными ОО (необыкновенный луч), и составляющую Ао, колебания электрического вектора которой перпендикулярны ОО (обыкновенный луч). Показатели преломления материала пластинки К для этих двух лучей (ne и no) различны, а следовательно, различны скорости их распространения в К, вследствие чего эти лучи, распространяясь по одному направлению, приобретают разность хода. Разность фаз их колебаний при выходе из К равна d=(1/l ×2pl(nо-ne), где l -толщина К, l - длина волны падающего света.
Поляризатор N1 пропускает лишь одну линейно поляризованную в направлении N1N1 составляющую исходного пучка, анализатор N2 пропускает из каждого луча только его слагающую с колебаниями, лежащими в плоскости его главного сечения N2N2. Если оптические оси анализатора и поляризатора скрещены (N1^N1), амплитуды слагающих А1 и А2 равны, а разность их фаз Dj=d+p. Они когерентны и интерферируют между собой. В зависимости от величины Dj на каком-либо участке пластинки К наблюдатель увидит этот участок тёмным, если Dj=(2n+1)p, или светлым, если Dj=2np, в монохроматическом свете и окрашенным -в белом свете. Если пластинка неоднородна по толщине или по показателю преломления, её участки, в которых эти параметры одинаковы, видны соответственно одинаково тёмными или светлыми либо одинаково окрашенными. Линии одинаковой цветности называют изохромами.
Схема для наблюдения хроматической поляризации света в сходящихся лучах показана на рисунке 1.4 Лучи разного наклона проходят в К разные пути, приобретая разности хода (различные для обыкновенного и необыкновенного лучей). По выходе из анализатора они интерферируют, давая характерные интерференционные картины, показанные на рисунке 1.5.
Рисунок 1.4 - Схема наблюдения хроматической поляризации в сходящихся лучах
(N1 - поляризатор, N2 - анализатор; К - пластинка толщиной l, вырезанная из одноосного двулучепреломляющего кристалла параллельно его оптической оси; L1, L2 - линзы)
а
б
Рисунок 1.5 - Интерференционные картины хроматической поляризации
в сходящихся лучах, когда оптические оси анализатора и поляризатора
