Поляризованный свет

Поляризованный свет — это свет, в котором колебания электромагнитного поля (вектора напряжённости электрического поля) упорядочены в определённом направлении, в отличие от естественного (неполяризованного) света, где колебания происходят хаотически во всех направлениях, перпендикулярных направлению распространения. Явление поляризации характерно для поперечных волн, к которым относится и свет.

Природа поляризации

Свет представляет собой электромагнитную волну, в которой векторы напряжённости электрического (E) и магнитного (H) полей колеблются перпендикулярно друг другу и направлению распространения волны. В естественном свете, испускаемом обычными источниками (Солнце, лампа накаливания), эти колебания происходят во всех возможных направлениях, равномерно распределённых вокруг луча. Поляризованный свет — это свет, в котором направление колебаний вектора E (или H) упорядочено. В зависимости от характера этого упорядочения различают несколько видов поляризации.

Виды поляризации

Линейная поляризация

Линейно поляризованный свет — это свет, в котором вектор E колеблется в одной фиксированной плоскости, называемой плоскостью поляризации. Плоскость, проходящая через направление распространения волны и перпендикулярная плоскости колебаний вектора E, называется плоскостью колебаний. Если колебания вектора E происходят строго в одной плоскости, поляризация называется полной линейной. Если же одно направление колебаний преобладает, но не исключает другие, говорят о частичной линейной поляризации.

Эллиптическая и круговая поляризация

Если конец вектора E описывает в пространстве эллипс, поляризация называется эллиптической. Частный случай эллиптической поляризации — круговая (циркулярная) поляризация, при которой конец вектора E вращается по окружности. При круговой поляризации различают правое и левое вращение: если вектор E вращается по часовой стрелке (при наблюдении навстречу лучу), поляризация называется правой, если против — левой. Эллиптическая и круговая поляризации возникают при сложении двух линейно поляризованных волн, сдвинутых по фазе на 90° (для круговой — при равных амплитудах).

Частичная поляризация

Большинство реальных источников света испускают частично поляризованный свет, в котором наряду с упорядоченной составляющей присутствует хаотическая. Степень поляризации — это отношение интенсивности поляризованной составляющей к полной интенсивности света. Она может изменяться от 0 (естественный свет) до 1 (полностью поляризованный свет).

Способы получения поляризованного света

Поляризация при отражении и преломлении

При падении естественного света на границу раздела двух прозрачных сред (например, воздуха и стекла) отражённый и преломлённый лучи становятся частично поляризованными. При определённом угле падения, называемом углом Брюстера, отражённый луч становится полностью линейно поляризованным — его колебания происходят перпендикулярно плоскости падения. Угол Брюстера определяется соотношением: tg(θ_B) = n₂/n₁, где n₁ и n₂ — показатели преломления сред. Преломлённый луч при этом поляризован частично, но при многократном преломлении (например, в стопе стеклянных пластинок) можно получить почти полностью поляризованный свет.

Поляризация при двойном лучепреломлении

Некоторые кристаллы (например, исландский шпат — кальцит) обладают свойством двойного лучепреломления: падающий луч разделяется на два луча — обыкновенный (o) и необыкновенный (e), которые поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. На этом принципе работают поляризационные призмы, например призма Николя (николь), которая пропускает только один из двух лучей. Более современные устройства — поляроиды (поляризационные плёнки), изготовленные из полимерных материалов с ориентированными молекулами, которые поглощают свет одной поляризации и пропускают другую.

Поляризация при рассеянии

При рассеянии света на мелких частицах (например, в атмосфере) или на флуктуациях плотности среды (рэлеевское рассеяние) рассеянный свет частично поляризован. Степень поляризации максимальна под углом 90° к направлению падающего луча. Этим объясняется, например, поляризация света голубого неба.

Поляризация при прохождении через анизотропные среды

Некоторые среды (например, оптически активные вещества, кристаллы, жидкости в магнитном поле) обладают способностью вращать плоскость поляризации проходящего через них линейно поляризованного света. Это явление называется вращением плоскости поляризации (оптическая активность). Оно используется в поляриметрии для измерения концентрации оптически активных веществ (например, сахара).

Применение поляризованного света

Оптика и микроскопия

Поляризационные микроскопы используются для исследования анизотропных объектов (кристаллов, волокон, биологических тканей). Поляризация позволяет выявлять структуру, дефекты и напряжения в прозрачных материалах (метод фотоупругости).

Дисплеи и оптоэлектроника

Жидкокристаллические дисплеи (LCD) работают на основе управления поляризацией света. Жидкие кристаллы изменяют поляризацию проходящего света под действием электрического поля, что позволяет формировать изображение. Поляризационные фильтры используются в 3D-кинотеатрах (технология RealD) для разделения изображений для левого и правого глаза.

Фотография и оптика

Поляризационные светофильтры в фотоаппаратах позволяют уменьшать блики от неметаллических поверхностей (воды, стекла), усиливать насыщенность неба (за счёт подавления рассеянного света), улучшать контрастность изображения.

Навигация и астрономия

Некоторые насекомые (например, пчёлы) и птицы используют поляризацию небесного света для ориентации. В астрономии поляриметрия позволяет изучать магнитные поля звёзд, структуру межзвёздной пыли и атмосферы планет.

Медицина и биология

Поляризационная микроскопия используется для диагностики заболеваний (например, амилоидоза, подагры), для изучения структуры биологических тканей (коллаген, мышечные волокна). Поляриметрия применяется в офтальмологии для оценки состояния сетчатки.

Интересные факты

• Первое описание поляризации света при отражении дал Этьен Малюс в 1808 году, наблюдая за отражением света от окна.
• В 1816 году Огюстен Френель разработал теорию поляризации, основанную на поперечности световых волн.
• Поляризованный свет используется в некоторых моделях очков для вождения (антибликовые очки) и для защиты глаз от яркого света (поляризационные очки для рыбалки).
• В 2014 году Нобелевская премия по химии была присуждена за разработку флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения, в которой важную роль играет управление поляризацией света.

Источники

• Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Физматлит, 2003.
• Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука, 1973.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том 4. Оптика. — М.: Физматлит, 2005.
• Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. — М.: Наука, 1985.
• Hecht E. Optics. — 4th ed. — Addison-Wesley, 2002.