Поляризация электромагнитных волн

Открытию поляризованных световых волн предшествовали работы многих ученых. В середине XVI в. ученый из Дании Э. Бартолин обнаружил, при прохождении через кристалл известкового шпата луч света расщепляется на два: «обыкновенный» и «необыкновенный» луча, но, к сожалению, не смог дать физического объяснения данному явлению.

Спустя почти четверть века физик из Нидерландов X. Гюйгенс провел следующий эксперимент: сначала пропустил луч света через кристалл исландского шпата (т. е. повторил опыт Бартолина), а затем оба луча, вышедшие из кристалла, пропустил еще раз сквозь второй такой же кристалл. Эксперименты показали, что дальнейшего разложения этих лучей уже не происходит в случае, если оптические оси обоих кристаллов параллельны, но если же второй кристалл повернуть на 180° вокруг направления распространения «обыкновенного» луча, то при прохождении через второй кристалл «необыкновенный» луч претерпевает сдвиг в направлении, противоположном сдвигу в первом кристалле, и из такой системы оба луча выйдут соединенными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность «обыкновенного» и «необыкновенного» лучей¹.

В начале XIX в. Этьен Луи Малюс, глядя сквозь кусок исландского шпата на блестевшие в лучах заходящего Солнца окна Люксембургского дворца в Париже, к своему удивлению заметил, что при определенном положении кристалла было видно только одно изображение^[1][2]. Ссылаясь на корпускулярную теорию света Ньютона, а также на основании своих экспериментов Малюс предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какойлибо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определенную ориентацию. Такой «упорядоченный» свет он назвал поляризованным.

Свет, испускаемый отдельно взятым элементарным излучателем (атомом, молекулой), в каждом акте излучения всегда поляризован. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа таких частиц-излучателей; пространственные ориентации векторов Е и моменты актов испускания света отдельными частицами в большинстве случаев распределены хаотически. Поэтому в общем излучении направление Е в каждый момент времени непредсказуемо. Подобное излучение называется неполяризованным, или естественным, светом.

Свет называется полностью поляризованным, если две взаимно перпендикулярные компоненты (проекции) вектора Е светового пучка совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз. Обычно состояние поляризации изображается с помощью эллипса поляризации — проекции траектории конца вектора Е на плоскость, перпендикулярную лучу (рис. 1.4.1)^[3].

Параметр степени поляризации света, определяемый как отношение разности интенсивностей двух выделенных ортогональных поляризаций к их сумме, может изменяться в диапазоне от 0 до 100%. Следует отметить, что свет, проявляющийся в одних случаях как неполяризованный, в других может оказаться полностью поляризованным с меняющимся во времени, по сечению пучка или по спектру состоянием поляризации.

Рис. 1.4.1. Примеры поляризаций светового луча при различных разностях фаз между взаимно перпендикулярными компонентами и Е^:

а, д — линейные поляризации; в — круговая поляризация; б, г, е — эллиптическая поляризации Поляризация света дает возможность исследовать все виды анизотропии вещества.

Известно, что две волны, линейно поляризованные под прямым утлом друг к другу, не могут интерферировать. В настоящее время эта особенность используется для создания различных оптических эффектов. В технологии ШАХ поляризация используется для разделения изображений, предназначенных правому и левому глазу.

Поскольку для приема сигнала не важно положение плоскости поляризации приемной и передающей антенн, круговая поляризация также применяется в антеннах космических линий связи. Отражение и преломление на границе раздела «вода — воздух» в океане, а также процесс рассеяния в морской среде приводят к поляризации света. Поэтому для полного описания светового поля необходимо задавать состояние поляризации^[4].

Если векторы электрического и магнитного полей перпендикулярны направлению распространения волны, то световые волны в океане можно с достаточной степенью точности считать поперечными. Наиболее просто состояние поляризации света вводится для плоских монохроматических волн, где оно может быть описано в терминах напряженностей электрического поля. Поскольку приемники оптического излучения позволяют измерять лишь его энергетику, то о поляризационных характеристиках можно судить, исходя из некоторых квадратичных функций напряженности поля.

Рассмотрим плоскую квазимонохроматическую волну, распространяющуюся вдоль оси z:

где к = 2к/Х — волновое число; ы=2п/Т — круговая частота; E (t) = E₁(t)e₁+E₂(t)e₂ — комплексная амплитуда, мало изменяющаяся за время периода колебаний; е₁;е₂ — единичные векторы в направлении осей х и у. Осредненная квадратичная функция напряженности поля имеет четыре отличных от нуля члена, которые образуют тензор (е₍Е^; i, j =1,2; осреднение производится за период, намного превышающий характерное время изменения функции E (t). Более употребительна для описания состояния поляризации света совокупность четырех действительных величин, являющихся линейной комбинацией элементов тензора [е₍Е*^ и носящих название параметров Стокса¹:

Для плоской монохроматической волны, которая по определению полностью поляризована, параметры Стокса выражаются через амплитуды взаимно перпендикулярных колебаний и разность фаз между ними:

Из формулы (1.4.2) следует, что для полностью поляризованного света.

Следовательно, состояние поляризации можно задать с помощью трех независимых параметров. Соотношение (1.4.4) является необходимым и достаточным условием полной поляризации светового пучка.

Противоположным случаем является неполяризованный (естественный) свет, для которого все направления в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, эквивалентны. Для естественного света Sj Ф О, S₂=S3=S₄=0, т. е. единственной его характеристикой является яркость.

Важным свойством параметров Стокса является их аддитивность при суперпозиции некогерентных пучков света. Иными словами, параметры полного пучка равны сумме параметров Стокса всех составляющих его пучков. Справедливо также и обратное: любую волну можно рассматривать как сумму независимых волн, которые можно выбирать различными способами.

• [1] Бондарев Б. В., Калашников Н. П., Спирин Г. Г. Курс общей физики. В 3 кн. Кн. 2: электромагнетизм, оптика, квантовая физика: учебник для бакалавров. 2-е изд., 2017.
• [2] Родионов В. Н. Физика.
• [3] Хиппелъ А. Диэлектрики и волны. М.: Издательство иностранной литературы, 1960.
• [4] Бондарев Б. В., Калашников Н. П., Спирин Г. Г. Курс общей физики. В 3 кн. Кн. 2: электромагнетизм, оптика, квантовая физика.