Что такое частично поляризованный свет

20.3.1. Частично поляризованный свет. Степень поляризации

Закон Малюса строго выполняется лишь для идеальных поляроидов — поляризатора и анализатора.

Если эти поляроиды частично пропускают свет с вектором , перпендикулярным осям пропускания, то после поляризатора свет будет частично поляризован. Идеальный поляризатор при PP параллельном P’P’ пропустит свет интенсивностью I_max, а при PP перпендикулярной P’P’ — свет интенсивностью I_min.

Степенью поляризации частичного поляризованного света называется величина

.

При идеальном поляризаторе I_min = 0 и P = 1, свет плоскополяризован.

20.4. Эллиптическая и круговая поляризация

Пусть вдоль оси x распространяются две плоскополяризованные когерентные световые волны, у которых колебания вектора происходят вдоль осей y и z, соответственно (см. рисунок ниже).

Так как колебания векторов и когерентны, то при их сложении получится вектор , конец которого будет, в общем случае, описывать эллипс в плоскости y, z (14.3.4). Такой свет называют эллиптически поляризованным. Ориентировка эллипса и направление вращения конца вектора зависит от разности фаз α(14.3.4). При α = 0, α = ±π эллипс вырождается в прямую: результирующая волна будет плоскополяризована. При α = ±π/2 и конец вектора будет двигаться по кругу. В этом случае говорят, что свет поляризован по кругу.

20.5. Поляризация при отражении и преломлении

Если на границу раздела двух сред падает под углом, отличным от нуля, естественный свет, то отраженная и преломленная световая волна будут частично поляризованы.

20.5.1. Формулы Френеля

На рисунке изображены и обозначены соответствующими значками составляющие векторов напряженности электрического поля падающей волны , отраженной волны , преломленной волны .

Относительные значения этих величин следуют из граничных условий, налагаемых на электрическое и магнитное поле световой волны. Формулы, связывающие компоненты векторов , были впервые получены О. Френелем и носят название формул Френеля:

Эти формулы и позволяют рассчитать степень поляризации (20.3.1) отраженной и падающей волны для произвольного угла падения.

20.5.2. Закон Брюстера

Пусть угол падения i таков, что отраженный луч перпендикулярен преломленному, т.е. r = π/2 — i_Бр. Это условие называют условием Брюстера (см. рисунок ниже), а угол — углом Брюстера — i_Бр.

Используя закон преломления

(17.1.3.),

получим формулу, определяющую угол Брюстера:

.

При выполнении условия Брюстера i + r = π/2, тогда из формулы Френеля для получим:

Таким образом, при выполнении условия Брюстера, отраженный свет будет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения.

Это утверждение носит название закона Брюстера.

Закон Брюстера имеет простое объяснение. Отраженная световая волна появляется за счет излучения электронов среды, совершающих вынужденные колебания под действием вектора преломленной волны. Это излучение имеет направленный характер (16.4.2.3): его интенсивность равна нулю в направлении колебаний зарядов. Направим под углом Брюстера на границу раздела плоско поляризованную волну с вектором , лежащим в плоскости падения.

На рисунке изображена диаграмма направленности излучения, возбужденного вектором . Нулевой минимум этой диаграммы при выполнении условия Брюстера совпадает по направлению с отраженным лучом.

Если вектор падающей волны направить перпендикулярно плоскости падения (рисунок ниже), то направление колебаний электронов будет перпендикулярно плоскости падения. Тогда диаграмма направленности будет развернута своим максимумом в направлении отраженного луча (рисунок ниже). Напомним, что пространственная форма диаграммы похожа на бублик без дырки (16.4.2.3).

Поляризационное разделение ракурсов

В данном разделе кратко изложены теоретические основы поляризационного разделения ракурсов. Информация сжата до минимума, поэтому если вас интересует физически корректное представление материала — прошу изучить соответствующие разделы физики в книгах или статьях.

Видимый свет, благодаря которому мы получаем информацию об окружающем нас мире, — это узкий диапазон электромагнитного излучения с длинами волн от 400 нм до 750 нм. В электромагнитной волне вектора напряжённости электрического поля E и напряжённости магнитного поля Н перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, поэтому очень часто в поясняющих рисунках оставляют только вектор E, перпендикулярный вектор H подразумевается. Во всех процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет вектор напряжённости электрического поля E, поэтому его называют световым вектором.

Неполяризованный свет или естественный свет, испускаемый обычными источниками (например, солнечный свет, излучение ламп накаливания и т. п.), состоит из огромного числа волн, колеблющихся с различной частотой, с различной амплитудой и с различной ориентацией светового вектора. Распределение светового вектора E по углам симметрично относительно направления распространения волны. Схематично естественный свет можно представить рисунком слева.

Частично поляризованный свет — то же, что и естественный, но распределение светового вектора E по углам несимметрично. Частично поляризованный свет характеризуется такой величиной, как степень поляризации — отношением Emax к Emin. Для естественно поляризованного света степень поляризации равна единице.

Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, такую волну называют линейно-поляризованной или плоско-поляризованной. Плоскость, в которой колеблется световой вектор называется плоскостью колебаний (плоскость yz на рисунке), а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор – плоскостью поляризации (плоскость xz на рисунке).

Линейно поляризованного света в природе не существует. Это — математическая абстракция. Говоря о линейно поляризованном свете, в действительности имеют в виду частично поляризованный свет с высокой степенью поляризации, то есть когда нелинейные составляющие пренебрежимо малы. Границу пренебрежения устанавливают в зависимости от решаемой задачи.

Если вдоль одного и того же направления распространяются две монохроматические волны, поляризованные в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, то в результате их сложения в общем случае возникает эллиптически-поляризованная волна. В эллиптически-поляризованной волне в любой плоскости P, перпендикулярной направлению распространения волны (в данном случае эта плоскость = xy), конец результирующего вектора за один период светового колебания обегает эллипс, который называется эллипсом поляризации. Форма и размер эллипса поляризации определяются амплитудами ax и ay линейно-поляризованных волн и фазовым сдвигом Δφ между ними. Стоит отметить, что по знаку фазового сдвига различают левую и правую поляризацию. Частным случаем эллиптически-поляризованной волны является волна с круговой поляризацией (ax = ay, Δφ = ± π / 2).

Поляризационные фильтры

У многих кристаллов поглощение света сильно зависит от направления электрического вектора в световой волне. Это явление называют дихроизмом. Этим свойством, в частности, обладают пластины турмалина, использованные ещё в опытах Малюса. При определенной толщине пластинка турмалина почти полностью поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн (например, Ex) и частично пропускает вторую волну (Ey).

В настоящее время широко применяются искусственные дихроичные плёнки, которые называются поляроидами. Поляроиды почти полностью пропускают волну ‘разрешённой’ поляризации и не пропускают волну, поляризованную в перпендикулярном направлении. Таким образом, поляроиды можно считать идеальными поляризационными фильтрами.

Поляроиды можно использовать как для поляризации естественного света, так и для фильтрации уже поляризованного света. На паре поляроидов можно наглядно продемонстрировать их работу — при вращении одного относительно другого на 90 градусов можно наблюдать практически полное затухание проходящего через них света.

Изменение поляризации света при отражении от поверхностей прозрачных сред

Среды, не поглощающие волны видимого диапазона, мы воспринимаем как прозрачные — это стекла, вода, воздух, хрусталь, бриллианты и много других бесцветных кристаллов. Для гладких поверхностей (неровности много меньше длины волны) законы отражения и преломления хорошо изучены. Однако оказалось, что степень отражения/поглощения световой волны может сильно зависеть от поляризации волны.

Например стекло, опытным путём было определено, что при угле падения 57 градусов отражаются световые волны с поляризацией только в одной плоскости — то есть отражённый свет полностью поляризован (степень поляризации 103-104). Этот угол называется углом Брюстера (и для стекла он равен 57 градусам).

Этот эффект давно научились использовать фотографы — если направить объектив под углом Брюстера к стеклу, то поворотом поляроида можно полностью убрать блики! А используя тот же приём для водной поверхности (угол Брюстера равен 53 градусам) — можно заснять подводный мир. При углах падения света, отличных от угла Брюстера, свет поляризуется лишь частично, и вы не сможете убрать блики полностью.

Изменение направления поляризации света в жидких кристаллах

ЖК-мониторы уже давно вошли в нашу обыденную жизнь, и вы наверное даже и не догадываетесь, что принцип их работы напрямую связан с поляризацией света. ЖК-монитор состоит из огромного числа маленьких пикселей. Каждый такой пиксель состоит из триады раскрашенных жидко-кристаллических ячеек (красной, зелёной и синей). С двух сторон от жидкокристаллической панели приклеиваются линейные поляризаторы. Сзади располагается подсветка (сами ЖК-ячейки не светятся).

Проходя через первую поляризационную плёнку, свет поляризуется. Напряжение на жидко-кристаллической ячейке заставляет сворачиваться её в спираль, при этом происходит изменение направления поляризации поляризованного света. После прохождения поляризованного света через вторую поляризованную плёнку происходит снижение интенсивности. Управляя напряжением на ячейке меняют угол ‘сворачивания’ плоскости поляризации света. Таким способом управляют интенсивностью свечения отдельной ячейки. 3 ячейки смешиванием образуют цвет пикселя а весь монитор — полное изображение.

Важным следствием является тот факт, что на выходе любого цветного ЖК-монитора мы получаем поляризованный свет.

Практические способы разделения ракурсов

Для разделения ракурсов, построения стереосистемы используется комбинация или одно из описанных выше свойств поляризованного света в различных средах:

• затемнение поляризованного света с помощью фильтров (всегда используется для очков);
• отражение поляризованного света;
• изменение направления поляризации уже поляризованного света (iZ3D, Perceiva DSD190).

Каждый ракурс источника поляризуется, а наблюдатель вооружается компактными очками. Различают два основных способа поляризации для стерео:

• линейная, линейные поляризаторы для каждого ракурса располагаются перпендикулярно;
• круговая, фильтры для каждого ракурса поляризуются в разных направлениях (отрицательный/положительный сдвиг фазы);

При использовании линейных фильтров, очки должны располагаться всегда в одном положении — при изменении угла фильтры пропускают часть противоположно-поляризованного света — другой ракурс, образуется гхост. Причём сильное взаимопроникновение ракурсов происходит уже при малых углах наклона. При использовании круговой поляризации головой можно крутить свободно, что является основным преимуществом её перед линейной для стерео, однако она обходится дороже.

Как известно, идеально поляризованного света не бывает, а значит не бывает идеальных фильтров. Для достижения большего затухания нежелательного ракурса толщину поляроида увеличивают, что сказывается на уровне поглощения света в целом — понижается контраст, а для круговой поляризации ещё сильнее (круговые фильтры представляют собой линейный поляризатор + прослойку для разделения линейно поляризованного света на две перпендикулярные волны света с круговой поляризацией). Хорошие очки с линейными поляризационными фильтрами при одинаковом уровне затемнения ‘паразитного’ ракурса в разы выигрывают по контрасту очкам с круговыми фильтрами.

Полная и частичная поляризация света

Поляризация света — одно из главных свойств оптического излучения, которое пребывает в неравноправии разных направлений в плоскости, перпендикулярной собственному световому лучу.

Рисунок 1. Поляризация света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Также поляризацией света часто называют геометрические параметры, способные отражать особенности такого неравноправия. Испускаемая отдельно взятым э излучателем световая волна в единичном акте преломления, всегда полностью поляризована. Однако макроскопические источники света включают в себя огромное количество элементарных излучателей, что в итоге приводит к хаотическому разделению ориентаций вектора в пространстве. Подобный эффект называется естественным (неполяризованным) светом, где существует разность фаз между нестабильными и непрерывно изменяющимися проекциями. В полностью поляризованном свете эта разность фаз всегда строго постоянна.

Создав определенные условия на пути разъединения естественного света, можно выделить из него:

• полностью поляризованную составляющую — формируется при тесном взаимодействии с веществом;
• частично поляризованную – возникает в ряде природных процессов испускания света.

Сущность полной и частичной поляризации света

Полную поляризацию естественного света характеризуют некой проекцией центральной траектории конца вектора в каждой точке светового луча на плоскость, которая в обязательном порядке перпендикулярна лучу.

В общем случае такая эллиптическая поляризация представляет собой эллипс, что непосредственно связан с постоянством разности фаз и частоты колебаний между взаимно перпендикулярными параметрами в монохроматической волновой системе. Для детального описания полной поляризации света необходимо изначально знать точное направление вращения по эллипсу и ориентацию векторов, а также их эксцентриситет.

Частичная поляризация света представляет собой фазовое нестабильное соотношение между компонентами света, которые могут меняться со временем и зависят от измерения всех величин световой оси.

Однако может случиться и так, что составляющие пучок света электромагнитные волны меняются не совершенно хаотически, а действуют взаимно перпендикулярными элементами в некоторой фазовой корреляции, сохраняющейся в течение длительного периода времени. Степень подобного явления в таком частично поляризованном свете описывают коэффициентом уровня поляризации света.

Стоит отметить, что к частичной или полной поляризации света может приводить огромное количество физических процессов. Это, например, преломление и отражение световых лучей, при которых общая поляризация обусловливается различием оптических свойств границы раздела двух пространств для компонент пучка света. Такой эффект может поляризоваться при плавном прохождении через среды, которые обладают естественными или другими воздействиями, вызванные внешними факторами. Поляризация света весьма чувствительна к показателю ориентации и напряженности магнитных и электрических полей; в силовых структурах компоненты, на которые в результате расщепляются спектральные линии светового испускания, оказываются полностью поляризованными.

Виды поляризованного света

Прежде чем научиться определять формулу степени световой поляризации и производить точные расчеты, необходимо понять, какие бывают основные виды поляризованного света:

1. Эллиптическая поляризация — конец волновой си такого света описывает сам эллипс.
2. Линейная поляризация – частные и непостоянный случай первого варианта, который действует строго в одном направление.
3. Круговая или циркулярной поляризация — любой естественный свет возможно представить, как сумму двух взаимно перпендикулярно поляризованных сред.

При этом две перпендикулярно поляризованные волны никогда не взаимодействуют с другими элементами. Их интерференция априори невозможна, так как с точки зрения взаимосвязи амплитуд, они как бы не существуют в реальности друг для друга. Когда они встречаются, то просто проходят дальше, не изменяя своих свойств.

Применение эффекта поляризации весьма обширно. Направив на определенный предмет естественный свет, а получив частично поляризованный, исследователи могут говорить о характеристиках данной поверхности. Однако определить степень поляризации частично поляризованного света нелегко.

Излучение, которое не оснащено конкретными выделенными направлениями, принято называть естественным.

Однако для обитателей нашей планеты это в некотором смысле необходимое приближение. Солнце дает мощный поток электромагнитных волн, имеющих различные длины. Это излучение изначально не поляризовано. Но проходя сквозь толстый атмосферный слой, световые лучи приобретает незначительную поляризацию. Так что уровень преломления естественного света в целом не равен нулю. Этой величиной, из-за ее небольших размеров, часто пренебрегают. Учитывается она только при проведении точных астрономических вычислений, где самая незначительная погрешность может прибавить новой сверхзвезде лет или расстояния.

Примеры частичной поляризации

Ярким примером частичной поляризации выступает свет Солнца, который уже прошел сквозь атмосферу планеты. Толстый слой смеси определенных газов все время находится в хаотичном движении, какие-то участки в итоге уплотняются, другие – разряжаются.

Эти уплотнения постепенно рассеивают часть электромагнитных небольших колебаний, так что до земной поверхности свет доходит частично поляризованным, в остальных случаях излучение световых лучей считается естественным.

Полная поляризация света, источником которого является чистое небо, – это самый простой и широко применяющийся пример данного явления. Другими довольно распространёнными случаями называют блики, расположенные на поверхности воды и стеклянных витринах. При необходимости ликвидировать их можно воспользоваться специальными поляроидными фильтрами, которыми чаще всего пользуются фотографы.

Они становятся незаменимыми, если необходимо запечатлеть на фото защищенные стеклом изображения или же музейные экспонаты. Принцип их прямого действия базируется на том факте, что любой отраженный объект в зависимости от изначального угла своего падения имеет определенную степень поляризации. Таким образом, при взгляде на такой блик можно легко подобрать необходимый угол расположения фильтра, при котором он подавляется до полного исчезновения.

Аналогичного принципа работы придерживаются производители качественных и известных марок противосолнечных очков. Благодаря применению в их стекле поляроидных фильтров возможно убрать ненужные блики, которые исходят от поверхности морской поверхности или мокрого шоссе.

Поляризация света представляет собой не просто физическое явление, которое интересно и нужно изучать. Оно широко используется в современном мире на практике.

Поляризация света, виды, свойства

Что такое поляризация света? Основные свойства, описание

Определение: направление колебаний электрического поля светового луча.

Во многих отношениях свет можно описать как волновое явление. Более конкретно, световые волны распознаются как электромагнитные поперечные волны, то есть с поперечными колебаниями электрического и магнитного полей.

Полезные статьи:

Виды поляризации света

Линейная поляризация света

В простейшем случае световой луч линейно поляризован. Это означает, что электрическое поле колеблется в определенном линейном направлении, перпендикулярном оси луча, а магнитное поле колеблется в направлении, которое перпендикулярно как оси распространения, так и направлению электрического поля.

За направление поляризации принимается направление колебаний электрического поля (т. е. не магнитных). Например, лазерный луч, распространяющийся в направлении z, может иметь колебания электрического поля в вертикальном (y) направлении и колебания магнитного поля в горизонтальном (x) направлении. Его можно назвать вертикально поляризованным или y-поляризованным.

Конечно, поляризация может иметь любое другое направление, перпендикулярное оси луча. Обратите внимание, что поворот поляризации на 180 ° не приводит к физически отличному состоянию.

Круговая и эллиптическая поляризация света

Состояние круговой поляризации может быть математически получено как суперпозиция колебаний электрического поля в вертикальном и горизонтальном направлениях, оба с одинаковой силой, но относительным изменением фазы на 90 °. Фактически, это приводит к быстрому вращению вектора электрического поля. Т.е один раз за оптический цикл, которое поддерживает постоянную величину.

Различают левую и правую круговую поляризацию. Например, левая круговая поляризация означает, что вектор электрического (и магнитного) поля вращается в левом направлении, если смотреть в направлении распространения. Для наблюдателя, смотрящего против луча, вращение, конечно, имеет противоположное направление.

Если колебания горизонтального и вертикального векторов электрического поля не имеют одинаковой силы, возникает случай эллиптической поляризации, когда вектор электрического поля, спроецированный на плоскость, перпендикулярную направлению распространения, движется по эллипсу.

Радиальная и азимутальная поляризация света

В предыдущих случаях направление вектора электрического поля предполагалось постоянным по всему профилю луча. Однако существуют световые лучи, в которых это не так. Например, существуют лучи с радиальной поляризацией, где поляризация в любой точке профиля луча ориентирована в радиальном направлении, т. е. в сторону от оси луча.

Обратите внимание, что состояние радиальной или азимутальной поляризации требует нулевой напряженности электрического поля. Следовательно, также исчезающей оптической интенсивности на оси луча. Это несовместимо, например, с гауссовым пучком. Радиально поляризованные лучи часто имеют вид бублика.

Радиально поляризованный лазерный луч может быть сгенерирован из линейно поляризованного луча с помощью какого-либо оптического элемента, но также возможно получить радиально поляризованное излучение непосредственно от лазера. Преимущество этого подхода, применяемого в твердотельном объемном лазере, заключается в том, что можно избежать потерь на деполяризацию. Кроме того, существуют приложения, использующие радиально поляризованный свет.

Существуют также лучи с азимутальной поляризацией, где направление электрического поля в любой точке является тангенциальным, т. е. перпендикулярным линии, проходящей через точку и ось луча.

Поляризация p и s

Состояние поляризации света часто имеет значение, когда свет попадает на оптическую поверхность под некоторым углом. Состояние линейной поляризации тогда обозначается как p-поляризация, когда направление поляризации лежит в плоскости, пересекаемой входящим лучом и отраженным лучом. Поляризация с направлением, перпендикулярным этому, называется s-поляризацией.

К сожалению, термины также иногда используются с другим значением в контексте дифракционных решеток.

Исчисление Джонса

Состояние поляризации монохроматического света часто описывается с помощью вектора Джонса, имеющего комплексные амплитуды электрического поля для направлений x и y, если распространение происходит в направлении z. Этот вектор Джонса может быть постоянным на некоторой площади поперек луча или он может меняться, например, для радиально поляризованного луча.

Эффект оптических элементов, таких как волновые пластины, поляризаторы и вращатели Фарадея, может быть описан с помощью матриц Джонса, с помощью которых векторы Джонса могут быть преобразованы путем умножения. Целую последовательность таких оптических элементов можно описать с помощью одной матрицы Джонса, которая получается как произведение матриц, соответствующих компонентам.

Существуют случаи, когда полихроматический свет может быть описан с помощью одного вектора Джонса, поскольку все его частотные компоненты имеют по существу одинаковое состояние поляризации. Однако в других случаях состояние поляризации существенно зависит от частоты.

Векторы Джонса можно использовать только для полностью определенных состояний поляризации, не для неполяризованных или частично поляризованных пучков, имеющих случайную природу.

Неполяризованные и частично поляризованные лучи

Световой луч называется неполяризованным, когда анализ с помощью поляризатора приводит к тому, что 50% мощности приходится на каждое состояние поляризации, независимо от ориентации вращения. Микроскопически это обычно означает, что состояние поляризации случайным образом колеблется, так что в среднем поляризация не обнаруживается. Обратите внимание, что такие колебания невозможны для строго монохроматического света.

Линейно поляризованный свет может быть деполяризован (сделан неполяризованным) с помощью поляризационного скремблера, который применяет упомянутые случайные изменения поляризации или, по крайней мере, квазислучайные изменения.

Существуют также частично поляризованные состояния света. Они могут быть описаны с помощью векторов Стокса. Кроме того, можно определить степень поляризации, которая может быть рассчитана по вектору Стокса и может варьироваться от 0 (неполяризованный) до 1 (полностью поляризованный).

Полностью поляризованные состояния могут быть связаны с точками на так называемой сфере Пуанкаре. Частично поляризованные состояния соответствуют точкам внутри этой сферы. Неполяризованный свет представлен точкой в ее центре.

Свойства поляризации света

Эффекты волновых пластин

Состоянием поляризации света часто манипулируют, используя различные виды оптических волновых пластин. Некоторые примеры:

• С помощью полуволновой пластины (λ / 2 пластины) можно повернуть состояние линейной поляризации в любом другом направлении.
• С помощью пластины с четвертью волны (λ / 4 пластины), ось которой ориентирована под углом 45 ° к направлению поляризации, можно преобразовать состояние линейной поляризации в круговое (и наоборот).
• С помощью комбинации одной половинчатой и двух четвертьволновых пластин можно реализовать контроллер поляризации, с помощью которого можно выполнять произвольные преобразования поляризации путем правильного вращения трех пластин.

Истинное вращение поляризации

Как объяснялось выше, волновая пластина или другой оптический элемент с двойным лучепреломлением может поворачивать направление линейной поляризации, но в более общем случае после такого элемента будет получено состояние эллиптической поляризации.

Истинное вращение поляризации, при котором всегда поддерживается состояние линейной поляризации (просто с переменным направлением), может происходить в форме оптической активности. Некоторые оптически активные вещества, такие как обычный сахар (сахароза), могут создавать значительные углы поворота уже в пределах, например, нескольких миллиметров длины распространения. Оптическую активность можно точно измерить с помощью поляриметров.

В то время как оптическая активность обычно является результатом присутствия хиральных молекул с разницей концентраций между двумя возможными энантиометрами, она также может быть вызвана магнитным полем в веществе, которое не является оптически активным в природе. Это называется эффектом Фарадея и используется в вращателях и изоляторах Фарадея.

Коэффициент ослабления поляризации

Степень линейной поляризации часто определяется количественно с помощью коэффициента поляризационного ослабления, определяемого как отношение оптических мощностей в двух направлениях поляризации.

Она часто указывается в децибелах и измеряется путем записи зависящей от ориентации передачи мощности поляризатора. Конечно, коэффициент затухания самого поляризатора должен быть выше, чем у лазерного луча.