Поляризация волн. 
Физика

В продольной волне единственно возможное направление колебаний задано вектором ее фазовой скорости, а в поперечной их может быть бесчисленное множество. Если направление колебаний изменяется во времени по определенному закону, то волну называют поляризованной, а если хаотично, то неполяризованной. Поляризацию света установил еще X. Гюйгенс в XVII в.

В отдельном акте излучения атома возникает волна, в которой колебания вектора Е лежат в одной плоскости. Такую волну называют линейноили нлоскополяризованной. Поскольку естественный свет вызван хаотичным излучением множества атомов, он неполяризован, однако может быть превращен в поляризованный. В луче 2 рассеянного света, ортогональном первичному лучу 1 (рис. 8.18, а), есть лишь одно возможное направление колебаний, которое перпендикулярно обоим лучам. Следовательно, в направлении луча 2 свет линейно поляризован. Это используют, например, пчелы (воспринимающие поляризованный свет) для ориентации в пространстве.

Рис. 8.18.

Шотландский физик Д. Брюстер (1781 — 1868) обнаружил, что такое же явление возникает при падении света на поверхность раздела сред под углом, который затем был назван в его честь углом Брюстера г_Б. Это угол, при котором отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны.

При /' + ?-= л/2 из закона преломления следует, что.

В преломленном луче могут быть любые направления колебаний, в том числе направление, совпадающее с отраженным лучом, но в отраженном луче его уже быть не может (рис. 8.18, б). Подобно рассеянному лучу 2 на рис. 8.18, а, единственное направление колебаний в отраженном луче, удовлетворяющее направлениям отраженного и преломленного лучей, ориентировано перпендикулярно плоскости падения (плоскости рисунка). Поэтому отраженный луч линейно поляризован в этом направлении (на рисунке оно показано точками, в которые проецируются двусторонние стрелки). Так как энергия таких колебаний уходит в отраженный луч, то в преломленном луче их дефицит, поэтому он оказывается частично поляризованным в перпендикулярном к нему направлении (отмечено большим количеством стрелок по сравнению с точками). Если угол падения отличен от г_Б, то отраженный луч поляризован лишь частично, а если падающий луч поляризован в плоскости падения, то отраженный луч вообще отсутствует (поляризацию при отражении изучают в лабораторном практикуме).

Поляризацию может осуществлять и среда, через которую проходит волна. Иллюстрацией служит шнур, пропущенный через щель. Если до щели направление его поперечных колебаний может изменяться хаотично, то после щели остается единственное направление колебаний, параллельное ей (рис. 8.19).

Следовательно, щель выполняет роль поляризатора. Свет поляризуют осесимметричными кристаллами (кварц, киноварь, турмалин и т. д.). В них фиксированы не только расстояния между молекулами, но и взаимная ориентация их осей, которые определяют оптическую ось кристалла. В на;

Рис. 8.19.

правлении этой оси существует одна сила связи между зарядами, а в перпендикулярном направлении — другая. Соответственно, если вектор Е волны параллелен оптической оси кристалла, то иерсизлучение диполей определяет значения г>ц, 8ц, Яц, а в перпендикулярном направлении — v_v е_±, n_L. В последнем случае все плоскости, содержащие оптическую ось кристалла, в отношении взаимодействия с ним вектора Е волны равноправны. Если волна распространяется вдоль оптической оси кристалла, то вектор Е перпендикулярен ей независимо от поляризации луча. Если же направление луча иное, то вектор Е можно представить как сумму взаимно перпендикулярных компонентов Е| и Е_±, и падающий луч раздваивается в среде на два луча. Для компонента Е показатель преломления п_± не зависит от угла падения, выполняется закон преломления (8.24), и такой луч называют обыкновенным (о). Для компонента Е| показатель преломления уже зависит от угла падения (направления Е j). Такой луч называют необыкновенным (е). Описанное явление, которое впервые обнаружил Гюйгенс, называют двойным лучепреломлением.

Коэффициенты поглощения для лучей о и е также различны, и это явление называется дихроизмом. Например, в сульфате йодистого хинина обыкновенный луч полностью поглощается уже при толщине пленки ~0,1 мм. Проходя через подобные материалы, свет получает определенную поляризацию, и потому их называют поляроидами. Поляроид осуществляет с электромагнитной волной то же, что щель со шнуром. Направление колебаний, которое возникает после поляроида, называется осью поляризатора.

Если направление колебаний падающего на поляроид линейно поляризованного света составляет с этой осью угол а, то через поляроид пройдет только тот компонент света, вектор Е которого параллелен оси поляризатора. Его амплитуда Е = ?₀cosa, а интенсивность.

(строго говоря, правую часть следовало бы еще умножить и на коэффициент прозрачности).

Этот закон установил французский физик Э. Л. Малюс (1775—1812).

ВОПРОС. Какова интенсивность прошедшего через поляроид естественного света с исходной интенсивностью J₀?

ОТВЕТ. Применяя формулу (8.31) к каждому направлению колебаний, получим.

где J'_Q — средняя интенсивность колебаний одного направления; N — число направлений колебаний в естественном свете (которое практически бесконечно велико).

Закон Малюса свидетельствует, что поляроид можно применять не только для поляризации, но и для анализа света.

Примеры практики Еще викинги использовали природный поляроид-минерал, чтобы в целях навигации найти направление на скрытое облаками солнце. С помощью поляроида нетрудно убедиться в поляризованности света, отраженного от воды, стекла и других диэлектриков. Часто он имеет вид бликов, которые мешают рассмотреть предметы, находящиеся в воде и на дне водоема, например при разведке брода, поиске препятствий и минировании. Если повернуть анализатор так, чтобы выполнялось, а = тт/2, то поляризованный свет проходить через него не будет. Это и делают поляроидные очки, фильтры и т. п.

В отличие от человеческого глаза, глаза пчел и муравьев реагируют на поляризацию света и воспринимают более богатый видимый мир.

На практике широко применяют скрещенные поляроиды, оси которых взаимно перпендикулярны: первый служит поляризатором, а второй — анализатором. Их используют, например, в дефектоскопии прозрачных деталей. В местах дефектов и неоднородностей пластмасс молекулы ориентированы в преимущественном направлении. В результате через анализатор видно темное поле для изотропных (однородных) и светлое — для анизотропных (неоднородных) участков. Такой пьезооптический эффект возникает и вследствие механических нагрузок, что применяют при моделировании из пластмасс и стекла деталей машин и строительных конструкций для оценки возникающих напряжений.

Скрещенные поляроиды можно применять и для управления интенсивностью поляризованного света путем поворота второго поляроида, однако механический поворот весьма инерционен. Поскольку оптическая анизотропия вызвана поляризацией, ее можно получать гораздо быстрее — с помощью электрического поля. Интенсивность поляризованного света, который прошел между обкладками конденсатора, помещенного в кювету с нитробензолом, зависит от напряжения на его пластинах. Этот эффект Керра, названный в честь шотландского физика, практически безынерционен — коммутация луча в жидких диэлектриках происходит за 10 ⁹—10 ¹⁰ с. Его применяют как средство модуляции света, например лазерного луча. Ячейку Керра используют при скоростной фотосъемке (световой затвор), световой записи звука на кинопленке и т. д. Аналогичный эффект (Коттона — Мутона) возникает и иод действием магнитного поля.

В последние десятилетия активно используют оптические свойства жидких кристаллов. Они находятся в состоянии, промежуточном между изотропным жидким и анизотропным кристаллическим (твердым). Сохраняя текучесть, они в то же время обладают анизотропией диэлектрической проницаемости, что характерно для твердых тел. Это приводит к двойному лучепреломлению и дихроизму. Например, нематические жидкие кристаллы (от греч. пета — нить) состоят из нитевидных молекул, взаимодействие которых выстраивает их в определенном порядке. Под действием внешнего электрического поля оптические оси кристаллов переориентируются, что позволяет управлять прохождением света. Их используют, например, для окон, способных таким образом изменять прозрачность в зависимости от освещенности. Однако наиболее широко их применяют для отображения информации на дисплеях (компьютеры, телевизоры, калькуляторы, часы и т. д.). Их преимуществом являются низкие рабочие напряжения (~1 В) и малая потребляемая мощность (~1 мкВт), что позволяет управлять жидкими кристаллами непосредственно от микросхем.

Линейно поляризованную волну можно представить суперпозицией не только Ем и Е_±, но и двух волн с круговой поляризацией, если эти векторы имеют равные амплитуды и угловые скорости (рис. 8.20).

Если на пути такой волны возникает вещество с разными скоростями вращения, но часовой стрелке и против нее, то произойдет поворот плоскости поляризации, который обнаружил еще М. Фарадей. Среды, обладающие подобным свойством, называются оптически активными. Оно обусловлено тем, что молекулы не всегда обладают зеркальной симметрией.

Рис. 8.20 Если они имеют форму, например, правовинтовой

спирали, то при отражении в зеркале будут иметь вид левовинтовой спирали, и потому, но отношению к «правому» и «левому» вращению ведут себя но-разному.

Такой оптической активностью обладают водный раствор сахара, кварц, скипидар, а также спиралевидные молекулы органического вещества: белки, нуклеиновые кислоты и т. д. (асимметрия органического вещества была обнаружена французским физиком П. Кюри). Чем больше таких молекул встречается на пути поляризованного света, тем больше угол поворота плоскости поляризации. На этом основаны приборы, измеряющие, например, концентрацию растворов сахара или глюкозы в пищевой и фармацевтической промышленности.