§ 13. Поляризация света

Определения и обозначения

Естественный свет — свет, в котором направления колебаний вектора напряжённости электрического поля быстро и беспорядочно меняются. Электрическое поле колеблется поперёк направления распространения световой волны, но его ориентация не выделена. Поэтому в естественном свете нет одного преимущественного направления таких колебаний. Это понятие помогает сравнивать обычный свет с поляризованным.

Поляризованный свет — свет, в котором колебания электрического поля упорядочены и происходят в определённом направлении. Для линейно поляризованного света это направление остаётся постоянным. Упорядоченность не означает, что луч начинает распространяться иначе: меняется лишь ориентация колебаний поля. Это позволяет отличить поляризацию от изменения направления луча.

Поляризация света — выделение из естественного света колебаний, ориентированных определённым образом. В результате свет становится поляризованным хотя бы частично, а в идеальном случае — линейно поляризованным. Такое выделение можно выполнить фильтром или получить при отражении. Понятие нужно, чтобы описывать способы управления колебаниями световой волны.

Поляризатор создаёт поляризованный свет, а анализатор позволяет проверить его поляризацию. Анализатор пропускает или ослабляет свет в зависимости от ориентации его оси относительно направления колебаний. Часто анализатором служит второй такой же фильтр. Их различают по назначению в опыте: первый формирует поляризацию, второй исследует её.

Как это устроено

Поляризация подтверждает, что световая волна поперечная. В поперечной волне колебания происходят поперёк направления распространения, причём могут быть ориентированы по-разному; фильтр способен выделить одну ориентацию. У продольной волны колебания идут вдоль распространения, поэтому набора поперечных направлений, из которого можно выбрать одно, нет. Если удаётся упорядочить колебания светового поля, значит, они поперечны лучу.

Поляризатор пропускает составляющую электрического поля вдоль своей пропускающей оси и ослабляет составляющие в других направлениях. Это можно представить как разложение колебания на части: одна направлена вдоль оси, другая — поперёк неё. Первая проходит через фильтр, а вторая задерживается или поглощается. Поэтому после поляризатора естественный свет становится линейно поляризованным, хотя его интенсивность уменьшается.

Чтобы проверить поляризацию, за первым фильтром ставят второй — анализатор — и поворачивают его. При параллельных осях направление колебаний совпадает с пропускающей осью анализатора, поэтому интенсивность прошедшего света максимальна. При повороте часть электрического поля оказывается поперёк оси и не проходит; интенсивность уменьшается. При взаимно перпендикулярных осях идеальные фильтры не пропускают свет.

При падении света на поверхность часть волны отражается, и отражение может выделить колебания определённой ориентации. Причина в том, что поверхность и направление падения по-разному влияют на составляющие электрического поля: одни отражаются эффективнее других. Поэтому отражённый свет часто оказывается частично поляризованным, а не полностью упорядоченным. Его интенсивность можно уменьшить фильтром, пропускающим преимущественно другую ориентацию колебаний.

Поляризацией пользуются там, где нужно управлять светом или убирать нежелательные отражения. Солнцезащитные очки и фотофильтры ослабляют поляризованные блики от воды, стекла и дороги. В жидкокристаллическом экране поляризационные фильтры участвуют в регулировании света от пикселей. В оптических приборах поляризаторы помогают изучать свойства материалов и контрастнее видеть отдельные детали.

Сравнение естественного и линейно поляризованного света

Сравнивайте строки по одной характеристике: так легче увидеть, что отличается именно упорядоченность колебаний, а не направление распространения света. Строка о вращении анализатора описывает свет после поляризатора: естественный свет перед анализатором сам по себе не имеет выделенного направления поляризации.

Разбор задач

Задача 1. Естественный свет проходит через поляризатор. Определите, какой свет выйдет из него и каково направление колебаний электрического поля. Здесь нужно связать результат с тем, какие колебания пропускает фильтр. Направление распространения света при этом не меняется.

1. Поляризатор пропускает составляющую электрического поля вдоль своей пропускающей оси. Остальные направления ослабляются, поэтому колебания после фильтра упорядочены.
2. Свет на выходе становится линейно поляризованным. Направление колебаний электрического поля совпадает с пропускающей осью поляризатора, а не с осью самого луча.
3. Проверяем смысл результата: луч продолжает распространяться вперёд, но его электрическое поле колеблется в одном выделенном поперечном направлении. Именно это и называют поляризацией.

Ответ: выйдет линейно поляризованный свет; электрическое поле колеблется вдоль пропускающей оси поляризатора.

Задача 2. Линейно поляризованный свет проходит через анализатор, ось которого повёрнута на 60° относительно направления поляризации. Найдите отношение интенсивности прошедшего света к падающей. Используйте закон Малюса: I = I₀ cos² α, где α — угол между направлением поляризации и осью анализатора.

1. Записываем закон Малюса и выделяем искомое отношение: I / I₀ = cos² α. Падающая интенсивность I₀ здесь относится к свету, уже поляризованному перед анализатором.
2. Подставляем угол α = 60°. Так как cos 60° = ½, получаем I / I₀ = (½)² = ¼.
3. Проверяем смысл: при угле 60° анализатор пропускает меньше света, чем при параллельных осях, когда отношение равно единице. Угол в формуле измеряется между направлениями поляризации, а не между анализатором и лучом.

Ответ: интенсивность прошедшего света составляет ¼ падающей, то есть I / I₀ = 0,25.

Задача 3. Свет отражается от поверхности воды. Объясните, как поляризационный фильтр поможет ослабить отражённый блик и как следует повернуть фильтр. Отражённый свет часто частично поляризован: в нём преобладают колебания определённой ориентации. Поэтому фильтр может задержать значительную часть блика.

1. Сначала направляем фильтр на отражённый свет и медленно поворачиваем его. При изменении ориентации оси фильтра меняется доля отражённого поля, которая проходит.
2. Выбираем положение, при котором блик становится наименее ярким. В этом положении пропускающая ось фильтра ослабляет преобладающую поляризованную составляющую отражённого света.
3. Не следует ожидать полного исчезновения блика: отражённый свет обычно поляризован лишь частично, поэтому часть колебаний других направлений пройдёт. Практически нужное положение находят поворотом очков или фильтра до максимального ослабления отражения.

Ответ: поворачивайте фильтр до наименьшей яркости блика; он ослабит преобладающую поляризованную составляющую отражённого света.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что поляризация означает распространение света только в одном направлении. Путают направление колебаний поля с направлением движения волны, потому что оба описания относятся к одной световой волне. На деле луч распространяется как прежде, а упорядочивается ориентация колебаний электрического поля. Проверьте себя: назовите отдельно направление луча и направление колебаний.

Ошибка — путать ось поляризатора с направлением распространения света. Ось фильтра задаёт ориентацию пропускаемых колебаний поля и расположена поперёк луча. Такое смешение возникает из-за слова «ось», которое можно принять за направление движения. Проверьте, что в объяснении оси говорится о поле, а направление луча остаётся отдельным.

Ошибка — считать, что два скрещённых поляризатора пропускают больше света, чем параллельные. При перпендикулярных осях колебания, пропущенные первым фильтром, не проходят через второй; у идеальной системы интенсивность равна нулю. Можно ошибиться, решив, что второй фильтр просто добавляет пропускание. Проверка проста: параллельные оси дают максимум, скрещённые — минимум.

Ошибка — подставлять в закон Малюса угол между осью анализатора и лучом. В формуле I = I₀ cos² α нужен угол между осью анализатора и направлением поляризации падающего на него света, которое задаёт первый поляризатор. Путаница появляется, если не различать несколько направлений в задаче. Перед вычислением обозначьте именно эти две оси и только затем найдите угол α.

Связь с другими темами

Для изучения поляризации нужно помнить, что свет — электромагнитная поперечная волна: электрическое и магнитное поля колеблются поперёк направления распространения. Поляризация дополняет картину волновых свойств света наряду с интерференцией и дифракцией, которые показывают соответственно сложение волн и их огибание препятствий. В отличие от них, поляризация особенно наглядно демонстрирует поперечность колебаний. Оптические фильтры и жидкокристаллические дисплеи показывают, как волновые свойства применяются в технике.

Что запомнить

• Поляризация — свойство поперечных волн.
• В естественном свете направления колебаний электрического поля не упорядочены.
• Поляризатор выделяет колебания вдоль своей пропускающей оси.
• Анализатор проверяет наличие и направление поляризации.
• При параллельных осях поляризатора и анализатора интенсивность максимальна.
• При скрещённых осях идеальная система света не пропускает.
• Для частично поляризованного отражённого света поляризационный фильтр может ослабить блики.