Как можно получить поляризованный свет из естественного: 2. Способы получения поляризованного света.

2. Способы получения поляризованного света.

Существует.несколько способов получения и анализа поляризованного света.

1. Поляризация при помощи поляроидов

Поляроиды представляют собой целлулоидные пленки с нанесенным на них тончайшим слоем кристалликов сернокислого нодхинина. Применение поляроидов является в настоящее время наиболее распространенным способом поляризации света.

2. Поляризация посредством отражения

Если естественный луч света падает на черную   полированную   поверхность,  то  отраженный   луч    оказывается частично поляризованным. В качестве поляризатора и анализатора может быть употреблено зеркальное или достаточно хорошо отполированное  обычное   оконное   стекло, зачерненное с одной стороны асфальтовым лаком.

Степень поляризации тем больше, чем правильнее выдержан угол падения. Для стекла угол падения равен 57°.

3.

Поляризация посредством преломления

Световой луч   поляризуется не только при отражении, но и при преломлении. В этом случае в качестве поляризатора и анализатора используется стопка сложенных вместе 10—15 тонких стеклянных пластинок, расположенных к падающим на них световым лучам под углом в 57°.

3. Поляризация при отражении света от диэлектрика. Закон Брюстера.

Поляризация при отражении и преломлении света на границе двух диэлектриков

Одним из способов получения поляризованного света является его отражение и преломление на границе раздела двух изотропных диэлектриков. Пусть на границу раздела диэлектриков 1 и 2 падает естественный свет. Отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения. Степень поляризации зависит от угла падения.

При некотором угле падения, называемом углом Брюстера, отраженный луч становится полностью поляризованным (плоско поляризованным).

Закон Брюстера — закон оптики, выражающий связь показателя преломления с таким углом, при котором свет, отражённый от границы раздела, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, а преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, причем поляризация преломленного луча достигает наибольшего значения. Легко установить, что в этом случае отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Соответствующий угол называется

углом Брюстера.

Это явление оптики названо по имени шотландского физика Дэвида Брюстера, открывшего его в 1815 году.

Закон Брюстера: , где n₂₁ — показатель преломления второй среды относительно первой, θ_Br — угол падения (угол Брюстера).

4. Закон Малюса.

Закон Малюса — физический закон, выражающий зависимость интенсивности линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор от угла между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора.

где  — интенсивность падающего на поляризатор света,  — интенсивность света, выходящего из поляризатора,  — коэффициент прозрачности поляризатора.

Установлен Э. Л. Малюсом в 1810 году.

В релятивистской форме

где и  — циклические частоты линейно поляризованных волн, падающей на поляризатор и вышедшей из него.

Свет с иной (не линейной) поляризацией может быть представлен в виде суммы двух линейно-поляризованных составляющих, к каждой из которых применим закон Малюса. По закону Малюса рассчитываются интенсивности проходящего света во всех поляризационных приборах, например в поляризационных фотометрах и спектрофотометрах. Потери на отражение, зависящие от и не учитываемые законом Малюса, определяются дополнительно.

3.2. Методы получения поляризованного света. Закон Брюстера

Устройства, служащие для преобразования естественного или частично поляризованного света в плоско-поляризованный свет, называются поляризаторами. Их действие основывается на использовании поляризации света при отражении и преломлении света на границе раздела двух прозрачных изотропных диэлектриков, либо на явлении двойного лучепреломления в одноосных кристаллах.

Поляризация света при отражении от поверхности диэлектрика

Если угол падения луча света на поверхность диэлектрика (на­пример, стекла) не равен нулю, то отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преоблада­ют колебания вектора ,перпендикулярные к плоскости падения (на рис. 3.2следы векторов изображены точками). В преломленном луче преобладают колебания вектора,параллельные плоскости падения луча (на рис. 3.2изображе­ны стрелками).

В естественном падающем луче интенсивность колебаний различных направлений одина­кова. Энергия этих колебаний одинакова. Она распределяется между отраженной и преломленной волной. Однако степень поля­ризации оказывается раз­личной в отраженном и прелом­ленном лучах и зависит от угла падения лучей и показа­теля преломления диэлектрика.

Шотландский физик Д. Брюстер устано­вил, что при угле паденияi_Б ,называемом углом Брюстера,отражён­ныйлуч являетсяплоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения). Преломленный же луч при угле паденияi_Б оказывается частично поляризованным (в нем преоблада­ют колебания, лежащие в плоскости падения луча). Угол Брюстера удовлетворяет соотношению, называемому законом Брюстера

tgi_Б= n₂₁ ,(3.2)

где n₂₁ =n₂/n₁показатель преломления второй среды относительно первой.

Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (i + r = π/2). Действительно, из закона преломления света следует, что

.

Таким образом, стеклянная пластинка или любой другой изотропный диэлектрик мо­гут служить поляризаторами, если на них падает луч естественного света под углом Брюстера.

Степень поляризации преломленного света может быть значитель­но повышена. Для этого вместо одной пластинки пользуются системой одинаковых стеклянных пластинок, расположенных друг за другом так, что свет, выходящий из первой пластинки, падает под углом Брюстера на вторую, из второй -на третью и т.д. Такая система пластин, на­зываемая стеклянной стопой, позволяет путем многократных отражений и преломлений добиться того, чтобы свет, прошедший сквозь стопу, был практически полностью поляризован. Так, например, если для одной стеклянной пластинки степень поляризации преломленного луча состав­ляет ~ 15

%,то после преломления на стопе из 8  10пластинок вы­шедший свет оказывается практически полностью поляризованным(Р ≈1).

Поляризация при двойном лучепреломлении

До сих пор мы изучали явление преломления света в изотропных средах, т.е. в таких, физические свойства которых, в том числе и скорость распространения света, во всех направлениях одинаковы. В анизотропных средах преломление света происходит значительно сложнее.

Анизотропными называются среды, физичес­кие свойства которых зависят от направления. Все кристаллические вещества анизотропные.

В прозрачных кристаллах (кроме кристаллов кубической симметрии, которые оптически изотропные) преломленный луч пространственно раз­деляется на два луча. Это явление называется двойным лучепреломле­нием.Впервые двойное лучепреломление было обнаружено датским уче­ным Э.Бартолином на кристаллах исландского шпатаCaCO3.

Рассмотрим некоторые закономер­ности явления двойного лучепреломле­ния в кристаллах исландского шпата, обладающих ромбоэдрической структу­рой.

В кристалле исландского шпата имеется единственное направление (направление

ав,рис. 3.3),вдоль которого двойного лучепреломления не наблюдается. Это направление называется оптической осью кристал­ла. Любая прямая, проходящая па­раллельно данному направлениюaв, является оптической осью кристалла.

Меняя направление луча, падающего на поверхность кристалла, можно убедиться в том, что пространственного разделения падающего луча на два не происходит в двух случаях: луч падает параллельно оптической оси (рис. 3.4, а) и перпендикулярно оптической оси (рис. 3.4, б).Во всех иных случаях падения луча на кристалл происхо­дит пространственное разделение луча, даже при перпендикулярном падении луча на поверхность кристалла (рис. 3.4,

в).

Луч, являющийся продолжением падающего (см. рис. 3.4, б, в), называетсяобыкновен­ным лучом (обозначается буквойо),отклоняющийся луч (см. рис. 3.4,в)  необыкновенным (обозначается, буквой е).

Обыкновенный и необыкновенный лучи имеют следующие свойства.

1.Обыкновенный и необыкновенный лучи имеют одинаковую интенсив­ностьI_о= I_e ,равнуюI_ест/2 (I_ест –интенсивность падающего на кристалл естественного луча).

2.Оба луча, обыкновенный и необыкновенный, полностью поляри­зованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

3.Обыкновенный луч подчиняется закону преломления света. Он лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, восста­новленным к поверхности кристалла в точке падения луча. Для этого луча при любом угле падения соблюдается закон преломления

.

Необыкновенный луч не лежит в плоскости падения луча и не подчиня­ется закону преломления. При изменении угла падения луча на крис­талл для необыкновенного луча

.

Даже при нормальном падении луча на кристалл необыкновенный луч преломляется (см. рис. 3.4, в).

4.Пространственное разделение луча внутри кристалла обус­ловлено анизотропией различием скоростей распространения света по разным направлениям . Это приводит к различию пока­зателей преломления:.

5. Если свет падает перпендикулярно оптической оси кристалла (см. рис. 3.4, б),то, не разделяясь пространственно, он фактически делится на два луча обыкновенный и необыкновенный: лучи идут по одному направлению, но с разными скоростями.

6.Обыкновенный и необыкновенный лучи остаются пространст­венно разделенными и после выхода из кристалла: они распространя­ются параллельно друг другу и параллельно падающему лучу.

7.После выхода из кристалла, если не принимать во внимание поляризацию во взаимно перпендикулярных плоскостях, обыкновенный и необыкновенный лучи ничем не отличаются друг от друга.

8.Обыкновенный и необыкновенный лучи по-разному поглощаются в некоторых кристаллах. Это явление носит названиедихроизма.

Очень сильным дихроизмом в видимых лучах обладает кристалл турмалина (минерала сложного состава). В нем обыкновенный луч практически полностью поглощается на глубине 1мм. Таким же свойст­вом обладаетполяроид– целлулоидная пленка, в которую введено большое количество одинаково ориентированных кристалликов сульфа­та йодистого хинина. В этих кристалликах размером ~ 0,1мм один из лучей полностью поглощается.

Следовательно, турмалин и поляроид вследствие дихроизма мо­гут быть использованы в качестве поляризаторов.

Призма Николя

Самым распространенным на практике способом получения поляри­зованных лучей с помощью двойного лучепреломления является призма Николя (У. Николь шотландский физик) или просто николь.

Призма Николя представляет собой двойную призму из исландского шпата (рис. 3.5), склеенную вдоль линииАВканадским бальзамом (стеклообразным веществом, добываемым из канадской пихты). На николь падает луч естественного света с интенсивностью I.В призме он раздваивается на два луча обыкновенный ()и необык­новенный (n_e= 1,52).

Так как n_e<n_{кан.бальзам}< n_о,то слой канад­ского бальзама оптически менее плотен, чем исландский шпат для обыкновенного луча и оптически более плотен для необыкновенного луча. Обыкновенный луч падает на поверхность канадского бальзама под углом, большим предельного, и, претерпев полное внутреннее отра­жение, поглощается в оправе призмы. Необыкновенный луч свободно про­ходит через слой канадского бальзама и выходит из призмы параллель­но падающему лучу. Таким образом, николь преобразует естественный свет в плоско-поляризованный.

Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Анализ поляризованного света по отражению и преломлению. Закон Брюстера. Закон Малюса. Двулучепреломление.

Поляризация света § 1 Естественный и поляризованный свет Испускание фотона света связано с переходом электрона из возбужденного состояния в основное. Электромагнитные волны, излучаемые этим переходом, являются поперечными, то есть векторами  и взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения. Колебания вектора происходят в одной плоскости. Свет, вектор которого колеблется в одном направлении, называется плоскополяризованный свет (или электромагнитная волна). Вызывается поляризованным светом , в котором направление колебания вектора каким-то образом упорядочены. Свет — это электромагнитное излучение всей совокупности атомов. Атомы излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всеми видами колебаний светового вектора .одинаково. Свет со всеми видами равновероятных ориентаций vectoris натуральный . Свет, имеющий предпочтительное направление колебания вектора и малую амплитуду колебаний вектора в другом направлении, является частично поляризованным . В плоскости поляризованного света плоскость изменяющегося вектора, называемая плоскостью поляризации , плоскость изменяющегося вектора, называемая плоскостью колебания . Вектор  является световым вектором, поскольку действие света на материю первостепенной важности представляет собой электрическая составляющая волнового поля, действующая на электроны в атомах вещества. Различают также эллиптически поляризованный свет : вектор распространения электрически поляризованного света описывает эллипс, и циркулярно поляризованный свет (частный случай эллиптически поляризованного света) – вектор описывает окружность (сравните с возможны сложения перпендикулярных колебаний: прямой, эллипса и окружности).   Степень поляризации – это величина , где I MAX и I мин – Максимальные и минимальные компоненты интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора (IE, и и и . . Для плоскости поляризованного света = , = 0, поэтому P = 1. Для естественного света = = и = 0. Для частично поляризованного света = , = , 9 = , 9 = , 9 = , 9 = , 99 = . Р <1. Если вектор в эллиптически поляризованный свет поворачивается при распространении света по часовой стрелке, то поляризация называется право-противолево. В эллиптически поляризованном свете колебания полностью упорядочены. Для эллиптически поляризованного света понятие степени поляризации неприменимо, так что P = 1 всегда. § 2 Анализ поляризованного света по отражению и преломлению. Закон Брюстера . Закон Малюса Наиболее просто поляризованный свет можно получить из естественного света путем отражения световых волн от границы между двумя диэлектриками. Если естественный свет падает на границу между двумя диэлектриками (например, воздух-стекло), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Закон Брюстера : При угле падения, равном углу Брюстера Br : 1. отраженный от границы раздела двух диэлектриков луч полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, 2. степень поляризации преломленного луча достигает максимального значения меньше единицы, 3. преломленный луч частично поляризован в плоскости падения, 4. угол между отраженным и преломленным лучами равен 90°; 4. Угол Брюстера равен тангенсу относительного показателя преломления -Закон Брюстера. n 12 – показатель преломления второй среды по отношению к первой. Угол падения (отражения) – угол между падающим (отраженным) лучом и нормалью к поверхности. Плоскость падения – плоскость, проходящая через падающий луч и нормаль к поверхности. Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена повторным преломлением состояния света на границе между ними под углом Брюстера. Если стекло ( n = 1,53) степень поляризации преломленного луча ≈ 15 %, после преломления на 8-10 перекрывающихся стеклянных пластинах свет будет выделяться почти полностью поляризованным – стопкой столетов. Поляризованный свет можно получить из природного с помощью поляризаторов — анизотропные кристаллы пропускают свет только в одном направлении (исландский шпат, кварц, турмалин). Поляризатор , который анализируется в плоскости поляризованного света, называется анализатором . Если на анализатор падает плоскость поляризованного света с амплитудой 0 и интенсивностью I 0 (), плоскость поляризации находится под углом φ к плоскости анализатора, падающее электромагнитное колебание может разложить на два колебания с амплитудами и , параллельно и перпендикулярно плоскости анализатора. Пройти через компонент анализатора параллельно плоскости анализатора, это составляющая , а перпендикулярный компонент будет задержан анализатором. Тогда интенсивность света, прошедшего через анализатор, равна ():  – Закон Малюса Малюс закон : Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, прямо пропорциональна произведению интенсивности падающего плоскополяризованного света I 0 и квадрату косинуса угла между плоскость падающего света и плоскость поляризатора. Если на поляризатор падает естественный свет, то интенсивность света, выходящего из поляризатора, составляет половину I nat I 0 , а затем из анализатора выход §3 Двулучепреломление Все кристаллы, кроме кубических – изотропных, анизотропны, т. е. свойства кристаллов зависят от направления. Явление двойного лучепреломления впервые было обнаружено Барталином в 1667 г. в кристалле исландского шпата (форма 3 ). Явление двойного лучепреломления заключается в следующем: пучок света, падающий на анизотропный кристалл, расщепляется на два луча: обыкновенный и необыкновенный, распространяющиеся с разной скоростью. Анизотропные кристаллы делятся на одноосные и двуосные. В одноосных кристаллах в одном направлении, называемом оптической осью, вдоль которого в распределении нет различия между обыкновенными и необыкновенными лучами. Любая линия, параллельная направлению оптической оси, также будет оптической осью. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главным или главным сечением плоскостей кристалла. Различие между обыкновенными и необыкновенными лучами: обыкновенный луч подчиняется законам преломления необыкновенный – нет; обыкновенный луч поляризован перпендикулярно главной плоскости, плоскость поляризации необыкновенного луча перпендикулярна плоскости поляризованного обыкновенного луча; Кроме оптических осей обыкновенные и необыкновенные лучи распространяются в разные стороны. Показатель преломления n 0 обыкновенный луч постоянен во всех направлениях, следовательно, фазовая скорость обыкновенного луча постоянна во всех направлениях. Показатель преломления необыкновенного луча n e ( v ф.э. ) зависит от направления. Разность скоростей между v 0 и v e для всех направлений, кроме направления оптической оси, вызывает явление двойного лучепреломления в одноосных кристаллах. В двухосных кристаллах есть два направления, вдоль которых нет двойного лучепреломления. Понятие обыкновенного и необыкновенного лучей имеет место до тех пор, пока лучи распространяются в кристалле, при выходе из кристалла эти понятия уже не имеют смысла, то есть лучи отличаются только плоскостью поляризации. Характер двулучепреломления обусловлен тем, что обыкновенный и необыкновенный лучи имеют разные скорости, а также ,ибо обыкновенный и необыкновенный лучи будут иметь разные показатели преломления n 0 и n , и с тех пор можно сказать, что первопричиной двулучепреломления является анизотропия диэлектрической проницаемости кристалла. Кристаллы, в которых V < V 0 ( N > N 0 ) под названием «Положительный и ». < n 0 ) называются отрицательными.

электромагнитное излучение. Является ли естественный свет круговой или линейной поляризацией?

Я думаю, вы восприняли то, что прочитали, слишком буквально. Естественный свет, как и прямой солнечный свет, обычно поляризован случайным образом. Если бы вы могли измерить поляризацию в одно мгновение, в следующее мгновение вы бы обнаружили, что ее поляризация случайным образом отличается.

Ваш вопрос, похоже, направлен на то, чтобы попытаться понять поляризацию, происходящую в природе, с точки зрения фотографа. Важно то, что даже случайно поляризованный свет можно разделить на ортогональные компоненты (вверх/вниз против вправо/влево). Когда свет падает на глянцевую поверхность под довольно небольшим углом (~ 57 градусов от перпендикуляра), практически все световые компоненты, поляризация которых в основном перпендикулярна поверхности, проходят через поверхность и рассеиваются или поглощаются. Компоненты света, поляризация которых параллельна поверхности, отражаются почти на 100%. Таким образом, свет, отражающийся под углом от воды, линейно поляризован в горизонтальном направлении. Если бы вы находились под поверхностью воды и смотрели вверх под прямым углом, свет, который вы видите, был бы в основном линейно поляризован в вертикальном угле (то есть в плоскости, перпендикулярной поверхности воды). Именно по этой причине линейный фильтр служит для удаления отражений в окнах; по той же причине он изменяет цвет и контрастность фотографий озер и рек. Рыбаки нахлыстом часто носят фильтры с линейной поляризацией до блок горизонтально поляризованного света, чтобы они могли лучше видеть в воде. Этот эффект связан с углом Брюстера.

Свет с круговой поляризацией возникает в некоторых забавных ситуациях из-за естественного освещения. Без сомнения, вы видели цветные отражения от поверхности стола, когда на столе стояла коробка для компакт-диска или другой пластиковый предмет. Это связано с комбинацией линейной поляризации из-за того, что на первую поверхность попадает свет, затем пластик преобразует линейную поляризацию в эллиптическую поляризацию в зависимости от толщины пластика и его количества и ориентации двойного лучепреломления (обычно из-за растяжения или течения во время производство), а затем еще один раунд линейной поляризационной фильтрации столешницей. Некоторые растения и насекомые имеют поверхности, которые действуют как круговые поляризационные фильтры по причинам, которые я не в состоянии объяснить.

Фильтр с круговой поляризацией обычно представляет собой двулучепреломляющий слой, который преобразует свет с круговой поляризацией одной хиральности в линейно поляризованный свет, затем линейный поляризатор для выделения только линейной части этого света в одной ориентации (вертикальной или горизонтальной относительно осей двулучепреломления). первого слоя).

Различия между светом с линейной поляризацией, светом с эллиптической поляризацией и светом с круговой поляризацией могут сбивать с толку. Я постараюсь сделать их понятными. Начнем с линейно поляризованного света с вертикальной осью поляризации. Теперь наклоните эту ось на 45 градусов так, чтобы она проходила по диагонали через квадрат, стороны которого горизонтальны и вертикальны. Если вы поместите поляризационный фильтр в луч с вертикальной осью «пропуска», вы получите свет, соответствующий высоте квадрата по вертикали. Поверните фильтр 90 градусов, и вы получите свет, соответствующий горизонтальной ширине квадрата. Вы только что разложили диагонально линейно поляризованный свет на вертикальную и горизонтальную линейно поляризованных составляющих.

Вы, конечно, не можете видеть это напрямую, но вертикальная и горизонтальная составляющие точно совпадают по фазе друг с другом на данном этапе эксперимента.

Теперь выньте поляризационный фильтр и поместите двулучепреломляющий фильтр в луч с вертикальной осью (луч по-прежнему имеет наклон поляризации 45 градусов). Свет, проходящий через фильтр с вертикальной поляризацией, будет немного задерживаться по сравнению со светом, проходящим через фильтр с горизонтальной поляризацией.