Поляризация света

одно из фундаментальных свойств оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света), состоящее в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны). П. С. Называются также геометрические характеристики, которые отражают особенности этого неравноправия. Впервые понятие о П. С. Было введено в оптику И. Ньютоном в 1704—06, хотя явления, обусловленные ею, изучались и ранее (открытие двойного лучепреломления (См. Двойное лучепреломление) в кристаллах Э. Бартолином в 1669 и его теоретическое рассмотрение Х. Гюйгенсом в 1678—90). Сам термин «П. С.» предложен в 1808 Э. Малюсом. С его именем и с именами Ж. Био, О. Френеля (См. Френель), Д. Араго, Д. Брюстера и др.

Связано начало широкого исследования эффектов, в основе которых лежит П. С. Существенное значение для понимания П. С. Имело её проявление в эффекте интерференции света (См. Интерференция света). Именно тот факт, что два световых луча, линейно поляризованных (см. Ниже) под прямым углом друг к другу, при простейшей постановке опыта не интерферируют, явился решающим доказательством поперечности световых волн (Френель, Араго, Т. Юнг, 1816—19). П. С. Нашла естественное объяснение в электромагнитной теории света Дж. К. Максвелла (1865—73) (см. Оптика). Поперечность световых волн (как и любых др. Электромагнитных волн (См. Электромагнитные волны)) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряжённости электрического поля (См.

Напряжённость электрического поля) Е и напряжённости магнитного поля (См. Напряжённость магнитного поля) Н перпендикулярны направлению распространения волны. Е и Н выделяют (отсюда указанное выше неравноправие) определённые направления в пространстве, занятом волной. Кроме того, Е и Н почти всегда (об исключениях см. Ниже) взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния П. С. Требуется знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор Е. Световой импульс, испускаемый каким-либо отдельно взятым элементарным излучателем (атом, молекула) в единичном акте излучения, всегда поляризован полностью. Но макроскопические Источники света состоят из огромного числа таких частиц-излучателей.

Пространственная ориентации векторов Е (и моменты актов излучения) световых импульсов отдельных частиц в большинстве случаев распределены хаотически (это не относится, например, к Лазерам). Кроме того, поляризация меняется в результате процессов взаимодействия между частицами-излучателями. Поэтому в общем излучении подавляющего большинства источников направление Е не определено (оно непрерывно и беспорядочно меняется за чрезвычайно малые промежутки времени). Подобное излучение называется неполяризованным, или естественным, светом. 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 (См. Фаза) между такими проекциями непрерывно и хаотически меняется. В полностью поляризованном свете эта разность фаз строго постоянна, т. Е. Взаимно перпендикулярные компоненты Е когерентны (см. Когерентность). Создав определённые условия на пути распространения естественного света, можно выделить из него поляризованную (полностью или частично) составляющую. Кроме того, полная или частичная (о смысле этого понятия см. Ниже) П. С. Возникает в ряде природных процессов испускания света и его взаимодействия с веществом. Полную поляризацию монохроматического света (См. Монохроматический свет) характеризуют проекцией траектории конца вектора Е (рис. 1) в каждой точке луча на плоскость, перпендикулярную лучу.

В самом общем случае т. Н. Эллиптической поляризации такая проекция — эллипс, что легко понять, учитывая постоянство разности фаз между взаимно перпендикулярными компонентами Е и одинаковость частоты их колебаний в монохроматической волне. Для полного описания эллиптической П. С. Необходимо знать направление вращения Е по эллипсу (правое или левое), ориентацию осей эллипса и его Эксцентриситет (см., например, рис. 2, б, г, е). Наибольший интерес представляют предельные случаи эллиптической П. С. — линейная П. С. (разность фаз 0, kπ, где k — целое число, рис. 2, а и д), когда эллипс вырождается в отрезок прямой, и круговая, или циркулярна я, П. С. [разность фаз ±(2k + 1)π/2], при которой эллипс поляризации превращается в окружность.

Определяя состояние линейно- или плоскополяризованного света, достаточно указать положение плоскости поляризации (См. Плоскость поляризации) света, поляризованного по кругу,— направление вращения (правое — рис. 2, в, или левое). В сложных неоднородных световых волнах (например, в металлах или при полном внутреннем отражении (См. Полное внутреннее отражение)) мгновенные направления векторов Е и Н уже не связаны простым соотношением ортогональности, и для полного описания П. С. В таких волнах требуется знание поведения каждого из этих векторов по отдельности. Если фазовое соотношение между компонентами (проекциями) Е меняется за времена, много меньшие времени измерения П. С., нельзя говорить о полной П. С. 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 амплитуда проекции Е на одно из взаимно перпендикулярных направлений всегда больше, чем на другое. Степень подобной фазовой корреляции в таком — частично поляризованном — свете описывают параметром р — степенью П. С. Так, если преимущественный фазовый сдвиг равен 0, свет частично линейно поляризован. ± π/2 — частично поляризован по кругу. Частично поляризованный свет можно рассматривать как «смесь» двух крайних видов — полностью поляризованного и естественного. Их соотношение и характеризуют параметром р, который часто (но не всегда) определяют как .