§ 25. Поляризация света. Соотношение между волновой и геометрической оптикой

Определения и обозначения

Поляризация света — упорядочение направлений колебаний в световой волне. Так называют и явление, при котором из естественного света получают поляризованный. Понятие нужно, чтобы описывать не только направление луча, но и поперечную структуру электромагнитной волны.

Естественный свет — свет, в котором направление колебаний вектора напряжённости электрического поля быстро и беспорядочно меняется в плоскости, перпендикулярной лучу. Такое излучение содержит множество возможных поперечных направлений. Оно служит исходным светом для поляризации.

Линейно поляризованный свет — свет, в котором вектор напряжённости электрического поля колеблется в одном определённом направлении, перпендикулярном лучу. Это направление называют направлением поляризации. Такой свет можно проверять поворотом анализатора.

Поляризатор — устройство, пропускающее свет с определённым направлением колебаний. Оно выделяет составляющую электрического поля вдоль своей оси и превращает естественный свет в линейно поляризованный. Второй поляризатор можно использовать как анализатор поляризации.

Как это устроено

В световой волне электрическое и магнитное поля колеблются поперёк направления распространения. Это следует из электромагнитной природы света: изменяющиеся поля поддерживают друг друга, а их направления взаимно перпендикулярны и перпендикулярны лучу. Поэтому среди поперечных колебаний можно выделить одно направление.

Естественный свет содержит волны с разными направлениями колебаний электрического поля. Поляризатор не обязан пропускать всю волну целиком: он пропускает только составляющую поля вдоль своей оси, а остальные направления ослабляет. После этого оставшееся колебание имеет одно направление, поэтому свет становится линейно поляризованным.

Анализатор действует как второй поляризатор и проверяет ориентацию колебаний. При повороте его оси меняется та часть электрического поля, которая может пройти дальше: при угле α интенсивность идеального света описывается законом Малюса I = I₀ cos² α. Поэтому при параллельных осях свет проходит лучше всего, а при перпендикулярных — не проходит.

Возможность получить и обнаружить поляризацию служит экспериментальным свидетельством поперечного характера световых волн. У продольной волны колебания происходят вдоль направления распространения, поэтому выделить в ней одно поперечное направление нельзя. Именно поэтому опыт с поляризаторами отличает свет от продольных волн.

Геометрическая оптика описывает распространение света с помощью лучей и не учитывает детали волнового процесса. Это приближение хорошо работает, когда длина волны намного меньше характерных размеров препятствий, отверстий и неоднородностей. Если размеры сравнимы с длиной волны, заметными становятся дифракция и интерференция, и требуется волновая оптика.

Естественный и линейно поляризованный свет

Сначала определите, какие направления колебаний есть в падающем свете, а затем проследите, что оставляет поляризатор. Для проверки поляризации сравнивают интенсивность света при разных положениях анализатора. Чем ближе оси к параллельному положению, тем больше пропускание, а при скрещивании идеальных устройств оно исчезает.

Разбор задач

Естественный свет падает на поляризатор

Условие. Естественный свет падает на поляризатор. Нужно описать прошедший свет и способ проверки его поляризации. Считаем поляризатор идеальным.

1. Естественный свет содержит колебания электрического поля разных поперечных направлений.
2. Поляризатор оставляет составляющую вдоль собственной оси, поэтому за ним направление колебаний становится определённым.
3. Поместим за первым прибором анализатор и будем поворачивать его ось, наблюдая яркость света.

Ответ. После поляризатора свет становится линейно поляризованным. Если при повороте анализатора интенсивность меняется, поляризация обнаружена.

Параллельные и скрещённые поляризаторы

Условие. Два идеальных поляризатора сначала имеют параллельные оси, затем один поворачивают на 90°. Требуется сравнить прохождение света. На второй прибор падает линейно поляризованный свет от первого.

1. При параллельных осях направление колебаний совпадает с осью второго поляризатора, поэтому вся доступная составляющая проходит.
2. После поворота на 90° ось второго прибора становится перпендикулярной колебаниям поля.
3. Проекция вектора на эту ось равна нулю, значит, второй идеальный поляризатор свет не пропускает.

Ответ. В параллельном положении прохождение максимально, а в скрещённом идеальный линейно поляризованный свет полностью гасится.

Щель сравнима с длиной волны

Условие. Свет проходит через щель или встречает препятствие, размер которого сравним с длиной волны. Нужно объяснить, почему одних лучей может быть недостаточно. При этом рассматривается распространение света за препятствием.

1. Геометрическая оптика предполагает распространение прямых лучей и хорошо работает при больших размерах отверстий.
2. Когда размер щели сравним с длиной волны, края щели становятся источниками заметного волнового огибания.
3. Возникает дифракция, поэтому распределение света нельзя предсказать только пересечением прямых лучей.

Ответ. Нужно применять волновое описание, поскольку дифракция существенна при размерах, сравнимых с длиной волны.

Типичные ошибки

Колебания вдоль луча. Так ошибаются, смешивая направление распространения с направлением поля. Проверьте себя: для света вектор электрического поля поперечен лучу.

Поляризация меняет направление луча. Поляризация описывает ориентацию колебаний, а не путь распространения. Отдельно укажите направление луча и направление вектора поля.

Скрещённые поляризаторы гасят любой свет. Полное гашение относится к идеальному линейно поляризованному свету и идеальным приборам. Уточняйте свойства падающего света и устройств.

Геометрическая оптика независима от волновой. На самом деле это приближение при малой длине волны по сравнению с размерами системы. Если они сравнимы, ищите проявления дифракции или интерференции.

Связь с другими темами

Для понимания поляризации нужно знать, что свет является электромагнитной волной, а электромагнитные волны поперечны. Связь геометрической и волновой оптики опирается на длину волны, интерференцию и дифракцию. Поляризаторы применяют в оптических приборах и при исследовании материалов, а волновое описание необходимо для анализа дифракционных и интерференционных картин.

Что запомнить

• Световая волна поперечна.
• В естественном свете направления колебаний поля беспорядочно меняются.
• Поляризатор выделяет свет с определённым направлением колебаний.
• Поворот анализатора меняет прохождение поляризованного света.
• Поляризация подтверждает поперечность световых волн.
• Геометрическая оптика — приближение волновой оптики.
• При размерах объектов, сравнимых с длиной волны, нужно учитывать волновые явления.