что такое степень поляризации
Как определить степень поляризации света
Вы будете перенаправлены на Автор24
Явление поляризации света осуществляется в момент отражения и преломления естественных лучей. В этом случае она становится следствием непосредственной зависимости коэффициента отражения света от направления вектора напряженности поля световой волны (электрического) относительно плоскости отражения.
Рисунок 1. Поляризация света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В большей степени отражение будет свойственно тем волнам, чьи вектора параллельны отражающей плоскости. Отраженные и преломленные лучи, таким образом, становятся поляризованными только частично. Степень поляризации отраженных лучей будет зависимой в таком случае не только от материала отраженных поверхностей, но и от угла падения.
Поляризация света
Поляризация света считается в физике явлением, при котором фиксируется выделение линейно поляризованного света из естественного (или, возможно, частично поляризованного света).
Существование поляризации становится возможным исключительно у поперечных волн (продольные категорически исключаются). Это, в свою очередь, объясняется тем, что в продольных волнах колебания будут выполняться исключительно вдоль направления их распространения, и погасить данные волны невозможно никакой ориентацией щели.
Горизонтально поляризованные волны не обладают способностью проходить сквозь вертикальную щель. При плокополяризованности электромагнитной волны, направлением ее поляризации избирается направление вектора напряженности у электрического поля.
Свет не обязательно должен быть поляризованным. Так, он может оказаться и неполяризованным, что, в свою очередь, предполагает осуществление колебаний источника параллельно во многих плоскостях. В практическом применении, например, простая лампа накаливания испускает, подобно Солнцу, неполяризованный свет.
Готовые работы на аналогичную тему
Свет, таким образом, характеризуется суммарным электромагнитным излучением множества атомов. Атомы при этом способны излучать световые волны без зависимости друг от друга. Это дает возможность характеризовать световую волну, излучаемую телом в целом, всевозможными и равновероятными колебаниями, осуществляемыми световым вектором.
Рисунок 2. Степень поляризации света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Получение поляризованного света
Поляризованный свет получается посредством пропускания естественного сквозь некоторые кристаллы (при двойном лучепреломлении). При этом фиксируется разделение луча на два разнонаправленных в кристалле, один из которых – обыкновенный (подчиняющийся общеизвестным законам преломления), а другой – необыкновенный.
В случае с необыкновенным лучом, показатель преломления и скорость распространения становятся зависимыми от направления распространения луча внутри кристалла. Оба луча при этом поляризованы в плоскостях, взаимно перпендикулярных. В любом из кристаллов будет существовать хотя бы одно направление, при распространении вдоль которого луч не подвергается двойному лучепреломлению, поскольку наблюдается одинаковость скоростей необыкновенного и обыкновенного лучей (направление оптической оси кристалла).
Рисунок 3. Анализ поляризованного света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Частично поляризованные свет
Введение такого понятия, как степень поляризации в большей степени обусловлено необходимостью получения частично поляризованного света. Такая величина определяется с помощью компонентов, на которые разделяется световой пучок.
Существует два эффективных способа разделения пучка на компоненты:
Процессы разделения на поляризованный и неполяризованный свет будут актуальными в ходе рассмотрения поляризаторов, обеспечивающих частичную поляризацию, и сдвигающих фазу пластинок (они называются фазовыми пластинками) и т. д.
В случае прохождения частично поляризованного пучка, например, через сдвигающее фазу устройство, фиксируется неизменность неполяризованной компоненты. Таким образом, наблюдатель может акцентировать свое внимание исключительно на поляризованной компоненте.
Ученые отмечают одно существенное ограничение, которое характеризуется следующими принципами:
Эквивалентная степень линейной поляризации
В определенных случаях полезным будет использование такого понятия, как эквивалентная степень линейной поляризации. Пучок, имеющий стопроцентную поляризацию эллиптического типа и эллиптичность (в незначительной степени), может рассматриваться в качестве пучка, обладающего частичной линейной поляризацией.
На выходе из несовершенного поляризатора мы получаем свет с преобладающими колебаниями одного направления над колебаниями другого (частично поляризованный свет).
При пропускании подобного света сквозь поляризатор, в момент вращения прибора вокруг направления луча начнет изменяться интенсивность прошедшего света (в пределах от максимальной до минимальной величины).
Степень поляризации света
Поляризация света — понятие, определение
Поляризация — это явление направленного колебания векторов напряженности в электромагнитной волне. Возникает только в поперечных волнах.
Поляризация возникает при распространении волн в анизотропных средах (кристаллах), при отражении и преломлении волн на границе раздела сред. Явление было открыто Христианом Гюйгенсом в 1678 году, термин введен французским ученым Этьеном Луи Малюсом в 1808 году.
В начале XIX столетия утверждение, что свет — это электромагнитная волна, а не упругое возмущение эфира, казалось нелепым, но позже было доказано, что свет — это гармонические колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся в пространстве.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Электромагнитные волны почти всегда обладают свойствами поперечных волн, поскольку вектора напряженности в них колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Продольными электромагнитные волны бывают только в сильно диспергирующих средах.
Свет от естественных источников обычно не поляризован: он является смесью пакетов волн со всевозможными направлениями поляризации, и потому через поляризатор, независимо от угла его поворота, всегда проходит примерно одинаковое количество лучей. А вот излучение лазера, как правило, линейно поляризовано, даже если это маленькая лазерная указка.
Поляризация бывает круговой, эллиптической и линейной — в зависимости от формы кривой, вычерчиваемой концом вектора амплитуды. Если направление вектора \(\overrightarrow Е\) неизменно, волна называется линейно поляризованной, а линия, вдоль которой он колеблется, — направлением поляризации. Плоскость, в которой кроме вектора \(\overrightarrow Е\) лежит еще вектор скорости волны, называется плоскостью поляризации.
Если же направление вектора \(\overrightarrow Е\) изменяется, и он вращается вокруг вектора скорости волны, то поляризация называется круговой. В данном случае проекциями вектора \(\overrightarrow Е\) на две взаимно перпендикулярные оси будут самостоятельные гармонические волны: одна из них отстает от другой на четверть длины волны.
Можно сказать, что круговая поляризация — результат сложения двух линейно поляризованных волн. Если же складываются две волны круговой поляризации, у которых векторы \(\overrightarrow Е\) вращаются в противоположных направлениях, получается линейно поляризованная волна.
В самом общем случае вектор \(\overrightarrow Е\) при вращении периодически изменяет свою длину. Такая поляризация называется эллиптической, круговая и линейная поляризация — ее частные случаи. Круговая или эллиптическая поляризация может быть правой или левой, что определяется направлением вращения вектора.
Чтобы описать поляризацию волны, компоненты вектора напряженности выражают с помощью параметров Стокса, интерпретируя их, как координаты точек, расположенных на сфере, называемой сферой Пуанкаре.
Как получить поляризованный свет
В 1808 году французский физик Этьен Луи Малюс случайно посмотрел на отражение заходящего солнца в окне Люксембургского дворца через пластинку исландского шпата, которую постоянно носил с собой. Яркость света при повороте пластинки изменялась. Проделав той же ночью опыты с отражением света от стекла и поверхности воды, он убедился, что отраженный свет действительно гасится, проходя через кристалл.
Малюс сделал вывод, что корпускулы света, как и магнит, имеют полюса, а наблюдаемое явление назвал поляризацией. Он обнаружил также, что лучи, прошедшие через кристалл исландского шпата, полностью поляризованы, а следовательно, полностью гасятся поворотом анализатора — второй пластинки исландского шпата, через которую ведется наблюдение.
Через некоторое время, исследуя проявления поляризации, Огюстен Френель понял, что их можно объяснить, только приняв предположение о поперечном характере световых волн. Теоретические рассуждения о том, как волны огибают препятствия, Френель заменил доказательством интерференции вторичных волн.
Интерференция света — это перераспределение интенсивности световых волн, происходящее благодаря их наложению друг на друга.
Приборы для получения поляризованного света называют поляризаторами, но если с помощью такого прибора измеряются физические параметры исследуемого света, то тот же самый прибор будет называться анализатором.
В первое время проведение экспериментов по изучению поляризации было связано с большими сложностями. Для подобных исследований прежде всего необходим анализатор, т. е. поляризатор, который выделяет свет с определенной поляризацией.
Вначале анализатором служил кристалл исландского шпата, но он давал два пучка одновременно. Поэтому приходилось или ограничиваться изучением тонких пучков, чтобы по-разному поляризованные лучи не накладывались друг на друга, или искать кристаллы большого размера и превосходного качества, без дефектов.
Позже выяснилось, что поляризованный в одном направлении свет можно получить при отражении под определенным углом, названным углом Брюстера. Это позволило работать с широкими световыми пучками, но при исследовании их поляризации путем поворота анализатора, отраженный луч смещался.
В 1816 году французский физик Жан Батист Био обнаружил, что кристалл турмалина обладает двойным лучепреломлением, но обыкновенный луч в нем поглощается гораздо сильнее, чем необыкновенный. Для выделения луча с определенной поляризацией сегодня широко применяют поляроиды — прозрачные тонкие пленки, которым присуще аналогичное свойство.
Самый известный анализатор изобрел в 1828 году шотландец Уильям Николь. Призма Николя изготовляется из распиленного и снова склеенного кристалла исландского шпата. Обыкновенный луч отражается от распила и отводится в сторону, остается только необыкновенный.
Что такое степень поляризации света, от чего она зависит
В 1811 году француз Доминик Франсуа Араго обнаружил отличия в оптической активности разных веществ — способности изменять направление поляризации света, прошедшего через кристалл. В 1815 году шотландец Дэвид Брюстер установил, что тангенс угла полной поляризации, известного теперь, как угол Брюстера, равен показателю преломления вещества, тем самым выведя формулу для подсчета этого угла.
Луч, отраженный под углом Брюстера, полностью поляризован и всегда расположен под углом 90 градусов к преломленному лучу. Каждая точка поверхности, куда попадает волна, становится вторичным источником лучей — она провоцирует совместные осцилляции дипольных моментов в диэлектрике на молекулярном уровне. Новые волны, попадая в свободное пространство, при движении вперед создают отраженную и преломленную волну.
Под другим углом граница раздела сред не может отразить 100% света, часть его входит в состав преломленного луча, так что полная поляризация недостижима. Чтобы вычислить степень частичной поляризации, нужно воспользоваться выражением:
\(I_
Для эллиптически поляризованных лучей света понятие степени поляризации не применимо. Она всегда будет равна единице, так как колебания этих лучей полностью упорядочены. Если \(I_
Закон Малюса
В 1810 году Малюс установил закон: интенсивность луча, прошедшего через анализатор, пропорциональна квадрату косинуса угла поворота анализатора относительно положения максимального пропускания им света. Обыкновенный луч оказался поляризован перпендикулярно необыкновенному.
Кроме того, Малюс продемонстрировал, что луч полностью поляризуется при отражении от поверхности тела под определенным углом, и величина этого угла зависит от свойств вещества.
В каких сферах деятельности применяется поляризация света
Поляризация применяется для создания разных оптических эффектов, например, на ее основе созданы такие технологии, как поляризационная голография и кинематограф IMAX.
Голография — способ записи оптической информации в объемном виде, с сохранением многоракурсности и глубины пространства.
С помощью поляризации можно разделить изображение для правого и левого глаза, а также создать стереоизображения, как в технологиях RealD и MasterImage.
В некоторых случаях необходимо избавиться от слабой естественной поляризации, проявляющейся в бликах на отражающих поверхностях. Для этого существуют специальные поляризационные очки и фильтры для фотографирования.
Физики-оптики продолжают изучать оптические явления, и поляризационные устройства помогают им управлять световыми потоками и измерять их физические параметры. Управлять световыми потоками нужно и светотехникам, которые используют с этой целью специальные устройства — поляроиды.
Степень поляризации и закон Малюса
На выходе из несовершенного поляризатора получается свет, в котором колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений. Такой свет называется частично поляризованным.
Если пропустить частично поляризованный свет через поляризатор, то при вращении прибора вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах от Imax до Imin, причем переход от одного из этих значений к другому будет совершаться при повороте на угол, равный π/2 (за один полный поворот два раза будет достигаться максимальное и два раза минимальное значение интенсивности).
Степень поляризации
Степень поляризации (степень выделения световых волн с определенной ориентацией электрического (и магнитного) вектора) зависит от угла падения лучей и показателя преломления.
называется степенью поляризации. Для плоскополяризованного света Imin=0 и Р=1; для естественного света Imax=Imin и P=0. К эллиптически- поляризованному свету понятие степени поляризации не применимо (у такого света колебания полностью упорядочены, так что степень поляризации всегда равна 1).
Закон Малюса
Соотношение (2) носит название закона Малюса.
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.
Поляризация света
Как же получить поляризованный свет?
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.
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.
Пропала необходимость во введении особой среды распространения волн – эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело. Благодаря этому электромагнитная теория света приобрела должную стройность.
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.
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.
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.
Кристаллы, в которых происходит двойное лучепреломление, называются анизотропными.
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.
Выходит, что в электромагнитной теории света закон Малюса находит естественное объяснение, чья основа заключается в разложении вектора E → на его составляющие.
Что такое степень поляризации
§1 Естественный и поляризованный свет
Испускание кванта света происходит в результате перехода электрона из возбужденного состояния в основное. Электромагнитная волна, испускаемая в результате этого перехода, является поперечной, то есть вектора 
и 
взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения. Колебания вектора 
происходят в одной плоскости. Свет, в котором вектор 
колеблется только в одном направлении, называется плоско поляризованным светом (или электромагнитной волной). Поляризованным называется свет, в котором направления колебания вектора 
упорядочены каким-либо образом.
Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают световые волна независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора 
. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным. Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора 
и незначительная амплитуда колебаний вектора 
в других направлениях, называется частично поляризованным. В плоско поляризованном свете плоскость, в которой колеблется вектор 
, называется плоскостью поляризации, плоскость, в которой колеблется вектор 
, называется плоскостью колебаний.
Вектор 
называют световым вектором потому, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества.
Степенью поляризации называется величина
где Imax и Imin – максимальная и минимальная компоненты интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора 
(то есть Ех и Еу – составляющие). Для плоско поляризованного света Еу = Е, Ех = 0, следовательно, Р = 1. Для естественного света Еу = Ех = Е и Р = 0. Для частично поляризованного света Еу = Е, Ех = (0. 1)Еу, следовательно, 0
§2 Анализ поляризованного света при отражении и преломлении.
Закон Брюстера. Закон Малюса
Наиболее просто поляризационный свет можно получить из естественного света при отражении световой волны от границы раздела двух диэлектриков.
Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздух-стекло), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде.
При угле падения, равном углу Брюстера іБр: 1. отраженный от границы раздела двух диэлектриков луч будет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения; 2. степень поляризации преломленного луча достигает максимального значения меньшего единицы; 3. преломленный луч будет поляризован частично в плоскости падения; 4. угол между отраженным и преломленным лучами будет равен 90°; 4. тангенс угла Брюстера равен относительному показателю преломления
Поляризатор, анализирующий в какой плоскости поляризован свет, называется анализатором.
Если на анализатор падает плоско поляризованный свет амплитудой Е0 и интенсивности I 0 ( 
), плоскость поляризации которого составляет угол φ с плоскостью анализатора, то падающее электромагнитное колебание можно разложить на два колебания; с амплитудами 
и 
, параллельное и перпендикулярное плоскости анализатора.
Сквозь анализатор пройдет составляющая параллельная плоскости анализатора, то есть составляющая 
, а перпендикулярная составлявшая будет задержана анализатором. Тогда интенсивность прошедшего через анализатор света будет равна ( 
):
— закон Малюса
Закон Малюса : Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, прямо пропорциональна произведению интенсивности падающего плоско поляризованного света I 0 и квадрату косинуса угла между плоскостью падающего света и плоскостью поляризатора.
§ 3 Двойное лучепреломление
Все кристаллы, кроме кристаллов кубической система — изотропных кристаллов, являются анизотропными, то есть свойства кристаллов зависят от направления. Явление двойного лучепреломления впервые было обнаружено Барталином в 1667 г. на кристалле исландского шпата (разновидность СаСО3). Явление двойного лучепреломления заключается в следующем: луч света, падающий на анизотропный кристалл, разделяется в нем на два луча: обыкновенный и необыкновенный, распространяющиеся с разными скоростями 
в различных направлениях.
Анизотропные кристаллы подразделяются на одноосные и двуосные.
У одноосных кристаллов имеются одно направление, называемое оптической осью, при распространении вдоль которого не происходит разделения на обыкновенный и необыкновенный лучи. Любая прямая параллельная направлению оптической оси будет также являться оптической осью. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главным сечением или главной плоскостью кристаллам.
Отличия между обыкновенными и необыкновенными лучами:
Различие скоростей U о и U е для всех направлений, кроме направления оптической оси, обуславливает явление двойного лучепреломления в одноосных кристаллах. У двуосных кристаллов имеется два направления, вдоль которых не происходит двойного лучепреломления.
Понятие обыкновенного и необыкновенного лучей имеет место пока эти лучи распространяются в кристалле, при выходе из кристалла эти понятия теряют смысл, то есть лучи отличаются только плоскостями поляризаций.