Поляризация как физическое явление¶

Поляризация — характеристика поперечных волн, описывающая упорядоченность ориентации колебаний в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. В полностью поляризованной волне направление колебаний вектора напряжённости (для электромагнитных волн) или смещения частиц (для механических) сохраняется либо меняется по строго определённому закону. Явление играет ключевую роль в оптике, радиотехнике, акустике и геофизике, а также лежит в основе работы поляризационных фильтров, жидкокристаллических дисплеев и многих методов научных исследований.

¶Физическая природа

Поляризация возможна только у поперечных волн, у которых колебания происходят перпендикулярно направлению распространения. Продольные волны, например звук в газе, поляризованными быть не могут: направление колебаний в них совпадает с направлением движения волны, поэтому выделенного направления в поперечной плоскости не существует.

Для электромагнитной волны поляризацию определяют по вектору напряжённости электрического поля E. Вектор магнитного поля H при этом всегда перпендикулярен E и направлению распространения. Свет от естественных источников — Солнца, лампы накаливания — неполяризован: направления колебаний E быстро и беспорядочно меняются, и все ориентации в поперечной плоскости равновероятны. Такой свет называют естественным или неполяризованным.

¶Виды поляризации

По характеру изменения направления колебаний различают несколько типов.

• Линейная (плоская) — вектор E колеблется вдоль одной прямой в поперечной плоскости. Это простейший и наиболее часто используемый на практике случай.
• Круговая (циркулярная) — конец вектора E описывает окружность; различают правое и левое вращение.
• Эллиптическая — наиболее общий случай, когда конец вектора E описывает эллипс. Линейная и круговая поляризации являются её предельными случаями.

Кроме того, различают полностью поляризованный, частично поляризованный и неполяризованный свет. Степень поляризации количественно выражают через интенсивности компонент: для частично поляризованного света она лежит между нулём и единицей.

¶Способы получения

Поляризованный свет получают несколькими основными методами.

Поляризация при отражении и преломлении наблюдается на границе двух диэлектриков. При падении света под углом Брюстера отражённый луч оказывается полностью линейно поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Угол Брюстера определяется соотношением tg θ = n₂/n₁, где n₁ и n₂ — показатели преломления сред.

Двойное лучепреломление возникает в анизотропных кристаллах, например в исландском шпате: падающий луч разделяется на обыкновенный и необыкновенный, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях. На этом явлении основаны призмы Николя и призмы Глана — Томпсона.

Дихроизм — различное поглощение света разных поляризаций в некоторых кристаллах. Промышленные поляроиды (поляроидные плёнки) изготавливают на основе растянутых полимерных плёнок с внедрёнными молекулами йода.

¶Применение

Поляризация широко используется в технике и науке.

В жидкокристаллических экранах поляризационные плёнки вместе с управляемым электрическим полем поворачивают плоскость поляризации, что позволяет регулировать яркость каждого пикселя. В радиосвязи выбор поляризации антенны повышает помехоустойчивость и позволяет использовать частотное переиспользование.

¶Поляризация в природе

Многие живые организмы воспринимают поляризацию света. Пчёлы и муравьи ориентируются по поляризационному узору неба, возникающему при рассеянии солнечного света в атмосфере. Некоторые ракообразные, например рак-богомол, обладают поляризационным зрением, недоступным человеку. Отражённый от водной поверхности свет частично поляризован, чем пользуются рыбаки и водные насекомые.

¶История изучения

Явление открыл в 1669 году датский учёный Эразм Бартолин, обнаруживший двойное лучепреломление в исландском шпате. Термин «поляризация» ввёл Исаак Ньютон. В 1808 году Этьен Луи Малюс установил закон, описывающий интенсивность света при прохождении через поляризатор. В 1815 году Дэвид Брюстер сформулировал закон об угле полного поляризационного отражения. Джеймс Клерк Максвелл в 1860-х годах теоретически обосновал поперечность электромагнитных волн, а Генрих Герц в 1888 году экспериментально подтвердил существование поляризации радиоволн.

¶Смежные явления

С поляризацией тесно связаны интерференция поляризованного света, эффект Фарадея (вращение плоскости поляризации в магнитном поле), эффект Керра и оптическая активность веществ. Эти явления лежат в основе модуляторов, оптических изоляторов и высокоточных измерительных приборов.

Источники: учебники по общей физике, курсы оптики, справочные материалы по электродинамике и кристаллографии.