Поляризационный свет – Поляризация света для чайников: суть явления, сущность, определение

Анизотропная сфера – среда, которая обладает различными свойствами в зависимости от направленности внутри нее.

В числе поляризаторов применяются кристаллы. Одним из природных, часто применяемых – турмалин.

Еще методом извлечения поляризованного потока излучения является отражение с диэлектрика. Если луч опускается в рубеж области 2-ух сфер, поток делится на отображенный и надломленный. Лучи получаются отчасти поляризованными, при этом степень поляризации находится в зависимости от угла падения.

Читайте также: Что такое цветовая температура: холодный или теплый свет, индекс в Кельвинах.

Как получить

Таким образом получить поляризование светового потока можно тремя способами:

1. Отражением от диэлектриков. Где степень зависит от угла падения и степени преломления.
2. Пропустить поток сияния через анизотропную среду. Луч, направленный на толстый кристалл, получит параллельное разъединение на выходе.
3. Поляризатор (призма Николя).

Рекомендуем посмотреть видео на тему «Закон Малюса».

Практическое применение явления поляризации света

Поляризование света интересно не только с научной точки зрения. Она нашла широкое применение на практике. Примеры применения:

• 3Д кинематография;
• очки от солнца с поляризацией – защищают глаза от отблесков солнца от воды и света фар встречных авто;
• фототехника – фильтры поляризационные;
• поляроиды применяются в геофизике при изучении свойств облака, при фотографировании затуманенных мест;
• поляриметры применимы в медицине при определении концентрации сахара в крови, при этом используется угол поворота плоскости поляризации.

Читайте также: Сравнительная таблица светодиодных ламп и ламп накаливания.

В заключение

Поляризация света — природное явление не очень сложное для понимания человеком. Поэтому она находит широкое применение в человеческой деятельности.

Интересные факты? Оставьте комментарий, поделитесь статьей с друзьями в соцсетях.

lampasveta.com

Поляризация света — это… Что такое Поляризация света?

Поляризация — для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Когерентное электромагнитное излучение может иметь:

Эллипс поляризации

• Линейную поляризацию — в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны;
• Круговую поляризацию — правую либо левую, в зависимости от направления вращения вектора индукции;
• Эллиптическую поляризацию — случай, промежуточный между круговой и линейными поляризациями.

Некогерентное излучение может не быть поляризованным, либо быть полностью или частично поляризованным любым из указанных способов. В этом случае понятие поляризации понимается статистически.

При теоретическом рассмотрении поляризации волна полагается распространяющейся горизонтально. Тогда можно говорить о вертикальной и горизонтальной линейных поляризациях волны.

Теория явления

Электромагнитная волна может быть разложена (как теоретически, так и практически) на две поляризованные составляющие, например поляризованные вертикально и горизонтально. Возможны другие разложения, например по иной паре взаимно перпендикулярных направлений, или же на две составляющие, имеющие левую и правую круговую поляризацию. При попытке разложить линейно поляризованную волну по круговым поляризациям (или наоборот) возникнут две составляющие половинной интенсивности.

Как с квантовой, так и с классической точки зрения, поляризация может быть описана двумерным комплексным вектором (вектором Джонса). Поляризация фотона является одной из реализаций q-бита.

Свет солнца, являющийся тепловым излучением, не имеет поляризации, однако рассеянный свет неба приобретает частичную линейную поляризацию. Поляризация света меняется также при отражении. На этих фактах основаны применения поляризующих фильтров в фотографии и т. д.

Линейную поляризацию имеет обычно излучение антенн.

По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца.

Если рассеянный свет поляризовать, то, используя поляризационный фильтр с иной поляризацией, можно ограничивать прохождение света. Интенсивность света прошедшего через поляризаторы подчиняется закону Малюса. На этом принципе работают жидкокристаллические экраны.

Некоторые живые существа, например пчёлы, способны различать линейную поляризацию света, что даёт им дополнительные возможности для ориентации в пространстве. Обнаружено, что некоторые животные, например креветка-богомол павлиновая^[1] способны различать циркулярно-поляризованный свет, то есть свет с круговой поляризацией.

История открытия

Открытию поляризованных световых волн предшествовали работы многих учёных. В 1669 г. датский учёный Э. Бартолин сообщил о своих опытах с кристаллами известкового шпата (CaCO3), чаще всего имеющими форму правильного ромбоэдра, которые привозили возвращающиеся из Исландии моряки. Он с удивлением обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным). Бартолин провёл тщательные исследования обнаруженного им явления двойного лучепреломления, однако объяснения ему дать не смог. Через двадцать лет после опытов Э. Бартолина его открытие привлекло внимание нидерландского учёного Х. Гюйгенса. Он сам начал исследовать свойства кристаллов исландского шпата и дал объяснение явлению двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света. При этом он ввёл важное понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует анизотропия свойств кристалла, т. е. их зависимость от направления (конечно, такой осью обладают далеко не все кристаллы). В своих опытах Гюйгенс пошёл дальше Бартолина, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл. Оказалось, что если оптические оси обоих кристаллов параллельны, то дальнейшего разложения этих лучей уже не происходит. Если же второй ромбоэдр повернуть на 180 градусов 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 соединёнными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей. Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов Х. Гюйгенса И. Ньютон, придерживавшийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света. В 1808 г. французский физик Э. Малюс, глядя сквозь кусок исландского шпата на блестевшие в лучах заходящего солнца окна Люксембургского дворца в Париже, к своему удивлению заметил, что при определённом положении кристалла было видно только одно изображение. На основании этого и других опытов и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, он предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определённую ориентацию. Такой «упорядоченный» свет он назвал поляризованным.

Параметры Стокса

Изображение поляризации языком параметров Стокса на сфере Пуанкаре

В общем случае плоская монохроматическая волна имеет правую или левую эллиптическую поляризацию. Полная характеристика эллипса даётся тремя параметрами, например,полудлинами сторон прямоугольника, в который вписан эллипс поляризации A₁, A₂ и разностью фаз φ, либо полуосями эллипса a, b и углом ψ между осью x и большой осью эллипса. Удобно описывать эллиптически поляризованную волну на основе параметров Стокса:

, ,

, .

Независимыми являются только три из них, ибо справедливо тождество:

.

Если ввести вспомогательный угол χ , определяемый выражением (знак соответствует правой, а — левой поляризации), то можно получить следующие выражения для параметров Стокса:

,

,

.

На основе этих формул можно характеризовать поляризацию световой волны наглядным геометрическим способом. При этом параметры Стокса , , интерпретируются, как декартовы координаты точки, лежащей на поверхности сферы радиуса . Углы и имеют смысл сферических угловых координат этой точки. Такое геометрическое представление предложил Пуанкаре, поэтому эта сфера называется сферой Пуанкаре.

Наряду с , , используют также нормированные параметры Стокса , , . Для поляризованного света .

См. также

Литература

• Ахманов С.А., Никитин С.Ю. — Физическая оптика, 2 издание, M. — 2004.
• Борн М., Вольф Э. — Основы оптики, 2 издание, исправленное, пер. с англ.,М. — 1973

Примечания

1. ↑ http://www.membrana.ru/lenta/?8088

Wikimedia Foundation. 2010.

dic.academic.ru

Поляризованный свет — это… Что такое Поляризованный свет?

Поляризация — для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Когерентное электромагнитное излучение может иметь:

Эллипс поляризации

• Линейную поляризацию — в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны;
• Круговую поляризацию — правую либо левую, в зависимости от направления вращения вектора индукции;
• Эллиптическую поляризацию — случай, промежуточный между круговой и линейными поляризациями.

Некогерентное излучение может не быть поляризованным, либо быть полностью или частично поляризованным любым из указанных способов. В этом случае понятие поляризации понимается статистически.

При теоретическом рассмотрении поляризации волна полагается распространяющейся горизонтально. Тогда можно говорить о вертикальной и горизонтальной линейных поляризациях волны.

Теория явления

Электромагнитная волна может быть разложена (как теоретически, так и практически) на две поляризованные составляющие, например поляризованные вертикально и горизонтально. Возможны другие разложения, например по иной паре взаимно перпендикулярных направлений, или же на две составляющие, имеющие левую и правую круговую поляризацию. При попытке разложить линейно поляризованную волну по круговым поляризациям (или наоборот) возникнут две составляющие половинной интенсивности.

Как с квантовой, так и с классической точки зрения, поляризация может быть описана двумерным комплексным вектором (вектором Джонса). Поляризация фотона является одной из реализаций q-бита.

Свет солнца, являющийся тепловым излучением, не имеет поляризации, однако рассеянный свет неба приобретает частичную линейную поляризацию. Поляризация света меняется также при отражении. На этих фактах основаны применения поляризующих фильтров в фотографии и т. д.

Линейную поляризацию имеет обычно излучение антенн.

По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца.

Если рассеянный свет поляризовать, то, используя поляризационный фильтр с иной поляризацией, можно ограничивать прохождение света. Интенсивность света прошедшего через поляризаторы подчиняется закону Малюса. На этом принципе работают жидкокристаллические экраны.

Некоторые живые существа, например пчёлы, способны различать линейную поляризацию света, что даёт им дополнительные возможности для ориентации в пространстве. Обнаружено, что некоторые животные, например креветка-богомол павлиновая^[1] способны различать циркулярно-поляризованный свет, то есть свет с круговой поляризацией.

История открытия

Открытию поляризованных световых волн предшествовали работы многих учёных. В 1669 г. датский учёный Э. Бартолин сообщил о своих опытах с кристаллами известкового шпата (CaCO3), чаще всего имеющими форму правильного ромбоэдра, которые привозили возвращающиеся из Исландии моряки. Он с удивлением обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным). Бартолин провёл тщательные исследования обнаруженного им явления двойного лучепреломления, однако объяснения ему дать не смог. Через двадцать лет после опытов Э. Бартолина его открытие привлекло внимание нидерландского учёного Х. Гюйгенса. Он сам начал исследовать свойства кристаллов исландского шпата и дал объяснение явлению двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света. При этом он ввёл важное понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует анизотропия свойств кристалла, т. е. их зависимость от направления (конечно, такой осью обладают далеко не все кристаллы). В своих опытах Гюйгенс пошёл дальше Бартолина, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл. Оказалось, что если оптические оси обоих кристаллов параллельны, то дальнейшего разложения этих лучей уже не происходит. Если же второй ромбоэдр повернуть на 180 градусов 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 соединёнными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей. Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов Х. Гюйгенса И. Ньютон, придерживавшийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света. В 1808 г. французский физик Э. Малюс, глядя сквозь кусок исландского шпата на блестевшие в лучах заходящего солнца окна Люксембургского дворца в Париже, к своему удивлению заметил, что при определённом положении кристалла было видно только одно изображение. На основании этого и других опытов и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, он предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определённую ориентацию. Такой «упорядоченный» свет он назвал поляризованным.

Параметры Стокса

Изображение поляризации языком параметров Стокса на сфере Пуанкаре

В общем случае плоская монохроматическая волна имеет правую или левую эллиптическую поляризацию. Полная характеристика эллипса даётся тремя параметрами, например,полудлинами сторон прямоугольника, в который вписан эллипс поляризации A₁, A₂ и разностью фаз φ, либо полуосями эллипса a, b и углом ψ между осью x и большой осью эллипса. Удобно описывать эллиптически поляризованную волну на основе параметров Стокса:

, ,

, .

Независимыми являются только три из них, ибо справедливо тождество:

.

Если ввести вспомогательный угол χ , определяемый выражением (знак соответствует правой, а — левой поляризации), то можно получить следующие выражения для параметров Стокса:

,

,

.

На основе этих формул можно характеризовать поляризацию световой волны наглядным геометрическим способом. При этом параметры Стокса , , интерпретируются, как декартовы координаты точки, лежащей на поверхности сферы радиуса . Углы и имеют смысл сферических угловых координат этой точки. Такое геометрическое представление предложил Пуанкаре, поэтому эта сфера называется сферой Пуанкаре.

Наряду с , , используют также нормированные параметры Стокса , , . Для поляризованного света .

См. также

Литература

• Ахманов С.А., Никитин С.Ю. — Физическая оптика, 2 издание, M. — 2004.
• Борн М., Вольф Э. — Основы оптики, 2 издание, исправленное, пер. с англ.,М. — 1973

Примечания

1. ↑ http://www.membrana.ru/lenta/?8088

Wikimedia Foundation. 2010.

dic.academic.ru

В МИРЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА | Наука и жизнь

Наука и жизнь // Иллюстрации

Механическая модель линейной поляризации световой волны. Щель в заборе пропускает колебания верёвки только в вертикальной плоскости.

В анизотропном кристалле световой луч расщепляется на два, поляризованные во взаимно-перпендикулярных (ортогональных) направлениях.

Обыкновенный и необыкновенный лучи пространственно совмещены, амплитуды световых волн одинаковы. При их сложении возникает поляризованная волна.

Так свет проходит через систему из двух поляроидов: а — когда они параллельны; б — скрещены; в — расположены под произвольным углом.

Две равные силы, приложенные в точке А во взаимно-перпендикулярных направлениях, заставляют маятник двигаться по круговой, прямолинейной или эллиптической траектории (прямая — это «вырожденный» эллипс, а окружность — его частный случай).

Наука и жизнь // Иллюстрации

Физпрактикум. Рис. 1.

Физпрактикум. Рис. 2.

Физпрактикум. Рис. 3.

Физпрактикум. Рис. 4.

Физпрактикум. Рис. 5.

Физпрактикум. Рис. 6.

Физпрактикум. Рис. 7.

Физпрактикум. Рис. 8.

Физпрактикум. Рис. 9.

‹

›

В природе существует множество колебательных процессов. Один из них — гармонические колебания напряжённостей электрического и магнитного полей, образующие переменное электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Волны эти поперечные — векторы е и н напряжённостей электрического и магнитного полей взаимно-перпендикулярны и колеблются поперек направления распространения волны.

Электромагнитные волны условно разделяют на диапазоны по длинам волн, образующих спектр. Наибольшую его часть занимают радиоволны с длиной волны от 0,1 мм до сотен километров. Небольшой, но очень важный участок спектра — оптический диапазон. Он делится на три области — видимую часть спектра, занимающую интервал приблизительно от 0,4 мкм (фиолетовый свет) до 0,7 мкм (красный свет), ультрафиолетовую (УФ) и инфракрасную (ИК), невидимые глазом. Поэтому поляризационные явления доступны непосредственному наблюдению только в видимой области.

Если колебания вектора напряжённости электрического поля е световой волны поворачиваются в пространстве случайным образом, волна называется неполяризованной, а свет — естественным. Если эти колебания происходят только в одном направлении, волна линейно-поляризована. Неполяризованную волну в линейно-поляризованную превращают при помощи поляризаторов — устройств, пропускающих колебания только одного направления.

Попробуем изобразить этот процесс более наглядно. Представим себе обычный деревянный забор, в одной из досок которого прорезана узкая вертикальная щель. Проденем сквозь эту щель верёвку; её конец за забором закрепим и начнём верёвку встряхивать, заставляя её колебаться под разными углами к вертикали. Вопрос: а как будет колебаться верёвка за щелью?

Ответ очевиден: за щелью верёвка станет колебаться только в вертикальном направлении. Амплитуда этих колебаний зависит от направления приходящих к щели смещений. Вертикальные колебания пройдут сквозь щель полностью и дадут максимальную амплитуду, горизонтальные — щель не пропустит совсем. А все другие, «наклонные», можно разложить на горизонтальную и вертикальную составляющие, и амплитуда будет зависеть от величины вертикальной составляющей. Но в любом случае за щелью останутся только вертикальные колебания! То есть щель в заборе — это модель поляризатора, преобразующего неполяризованные колебания (волны) в линейно-поляризованные.

Вернёмся к свету. Получить из естественного, неполяризованного света линейно-поляризованный можно несколькими способами. Наиболее часто применяют полимерные плёнки с длинными молекулами, ориентированными в одном направлении (вспомним про забор с щелью!), призмы и пластинки, обладающие двойным лучепреломлением, или оптической анизотропией (неодинаковости физических свойств по различным направлениям).

Оптическая анизотропия наблюдается у многих кристаллов — турмалина, исландского шпата, кварца. Само явление двойного лучепреломления заключается в том, что луч света, падающий на кристалл, разделяется в нём на два. При этом показатель преломления кристалла для одного из этих лучей постоянен при любом угле падения входного луча, а для другого зависит от угла падения (то есть для него кристалл анизотропен). Это обстоятельство настолько поразило первооткрывателей, что первый луч назвали обыкновенным, а второй — необыкновенным. И весьма существенно, что эти лучи линейно-поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях.

Заметим, что в таких кристаллах существует одно направление, по которому двойного преломления не происходит. Это направление называется оптической осью кристалла, а сам кристалл — одноосным. Оптическая ось — это именно направление, все идущие вдоль него линии обладают свойством оптической оси. Известны также двухосные кристаллы — слюда, гипс и другие. В них также происходит двойное преломление, но оба луча оказываются необыкновенными. В двухосных кристаллах наблюдаются более сложные явления, которых мы касаться не станем.

В некоторых одноосных кристаллах обнаружилось ещё одно любопытное явление: обыкновенный и необыкновенный лучи испытывают существенно различное поглощение (это явление назвали дихроизмом). Так, в турмалине обыкновенный луч поглощается практически полностью уже на пути около миллиметра, а необыкновенный проходит весь кристалл насквозь почти без потерь.

Двоякопреломляющие кристаллы применяют для получения линейно-поляризованного света двумя способами. В первом используют кристаллы, не обладающие дихроизмом; из них изготавливают призмы, составленные из двух треугольных призм с одинаковой или перпендикулярной ориентацией оптических осей. В них либо один луч отклоняется в сторону, так что из призмы выходит только один линейно-поляризованный луч, либо выходят оба луча, но разведённые на большой угол. Во втором способе используются сильнодихроичные кристаллы, в которых один из лучей поглощается, или тонкие плёнки — поляроиды в виде листов большой площади.

Возьмём два поляроида, сложим их и посмотрим сквозь них на какой-нибудь источник ес-тественого света. Если оси пропускания обоих поляроидов (то есть направления, в которых они поляризуют свет) совпадают, глаз увидит свет максимальной яркости; если они перпендикулярны, свет практически полностью погасится.

Свет от источника, пройдя через первый поляроид, окажется линейно-поляризованным вдоль его оси пропускания и в первом случае свободно пройдёт через второй поляроид, а во втором случае не пройдёт (вспомним пример с щелью в заборе). В первом случае говорят, что поляроиды параллельны, во втором — что поляроиды скрещены. В промежуточных случаях, когда угол между осями пропускания поляроидов отличается от 0 или 90о, мы получим и промежуточные значения яркости.

Пойдём дальше. В любом поляризаторе входящий свет расщепляется на два пространственно разделённых и линейно-поляризованных во взаимно-перпендикулярных плоскостях луча — обыкновенный и необыкновенный. А что будет, если не разделять пространственно обыкновенный и необыкновенный лучи и не гасить один из них?

На рисунке показана схема, реализующая этот случай. Свет определённой длины волны, прошедший через поляризатор Р и ставший линейно-поляризованным, падает под углом 90^о на пластинку П, вырезанную из одноосного кристалла параллельно его оптической оси ZZ. В пластинке распространяются две волны — обыкновенная и необыкновенная — в одном направлении, но с разной скоростью (поскольку для них различны показатели преломления). Необыкновенная волна поляризована вдоль оптической оси кристалла, обыкновенная — в перпендикулярном направлении. Предположим, что угол а между направлением поляризации падающего на пластинку света (осью пропускания поляризатора Р) и оптической осью пластинки равен 45^о и амплитуды колебаний обыкновенной и необыкновенной волн А_ои А_еравны. Это случай сложения двух взаимно-перпендикулярных колебаний с одинаковыми амплитудами. Посмотрим, что получится в результате.

Для наглядности обратимся к механической аналогии. Есть маятник, к нему прикреплена трубочка с вытекающими из неё тонкой струйкой чернилами. Маятник колеблется в строго фиксированном направлении, и чернила рисуют прямую линию на листе бумаги. Теперь мы толкнём его (не останавливая) в направлении, перпендикулярном плоскости качания, так, что размах его колебаний в новом направлении стал таким же, как и в начальном. Таким образом, мы имеем два ортогональных колебания с одинаковыми амплитудами. Что нарисуют чернила, зависит от того, в какой точке траектории АОВ находился маятник, когда мы его толкнули.

Предположим, что мы толкнули его в тот момент, когда он занимал крайнее левое положение, в точке А. Тогда на маятник подействуют две силы: одна в направлении первоначального движения (к точке О), другая — в перпендикулярном направлении АС. Поскольку эти силы одинаковы (амплитуды перпендикулярных колебаний равны), маятник пойдет по диагонали AD. Его траекторией станет прямая линия, идущая под углом 45^о к направлениям обоих колебаний.

Если толкнуть маятник, когда он находится в крайнем правом положении, в точке В, то из аналогичных рассуждений ясно, что его траекторией будет тоже прямая, но повёрнутая на 90^о. Если толкнуть маятник в средней точке О, конец маятника опишет круг, а если в какой-то произвольной точке — эллипс; причём его форма зависит от того, в какой именно точке толкнули маятник. Следовательно, круг и прямая — частные случаи эллиптического движения (прямая — это «вырожденный» эллипс).

Результирующее колебание маятника, совершаемое по прямой линии, — модель линейной поляризации. Если его траектория описывает окружность, колебание называется поляризованным по кругу или циркулярно-поляризованным. В зависимости от направления вращения, по часовой стрелке или против неё, говорят соответственно о право- или левоциркулярной поляризации. Наконец, если маятник описывает эллипс, колебание называется эллиптически-поляризованным, и в этом случае тоже различают правую или левую эллиптическую поляризацию.

Пример с маятником даёт наглядное представление, какую поляризацию получит колебание, возникающее при сложении двух взаимно-перпендикулярных линейно-поляризованных колебаний. Возникает вопрос: что служит аналогом задания второго (перпендикулярного) колебания в различных точках траектории маятника для световых волн?

Им служит разность фаз φ обыкновенной и необыкновенной волн. Толчку маятника в точке А соответствует нулевая разность фаз, в точке В — разность фаз 180^о, в точке О — 90^о, если маятник проходит через эту точку слева направо (от А к В), или 270^о, если справа налево (от В к А). Следовательно, при сложении световых волн с ортогональными линейными поляризациями и одинаковыми амплитудами поляризация результирующей волны зависит от разности фаз складываемых волн.

Из таблицы видно, что при разности фаз 0^о и 180^о эллиптическая поляризация превращается в линейную, при разности 90^о и 270^о — в круговую с разными направлениями вращения результирующего вектора. А эллиптическую поляризацию можно получить сложением двух ортогональных линейно-поляризованных вол и при разности фаз 90^о или 270^о, если у этих волн различные амплитуды. Кроме того, циркулярно-поляризованный свет можно получить вообще без сложения двух линейно-поляризованных волн, например при эффекте Зеемана — расщеплении спектральных линий в магнитном поле. Неполяризованный свет частотой v, пройдя через приложенное в направлении распространения света магнитное поле, расщепляется на две компоненты с левой и правой циркулярными поляризациями и симметричными относительно ν частотами (ν — ∆ν) и (ν + ∆ν).

Весьма распространённый способ получения различных видов поляризации и их преобразования — использование так называемых фазовых пластинок из двоякопреломляющего материала c показателями преломления n_oи n_e. Толщина пластинки d подобрана так, что на её выходе разность фаз между обыкновенной и необыкновенной компонентами волны равна 90 или 180^о. Разности фаз 90^о соответствует оптическая разность хода d(n_o — n_e), равная λ/4, а разности фаз 180^о — λ/2, где λ — длина волны света. Эти пластинки так и называются — четвертьволновая и полуволновая. Пластинку толщиной в одну четвёртую или половину длины волны изготовить практически невозможно, поэтому тот же результат получают с более толстыми пластинками, дающими разность хода (kλ + λ/4) и (kλ + λ/2), где k — некоторое целое число. Четвертьволновая пластинка превращает линейно-поляризованный свет в эллиптически-поляризованный; если же пластинка полуволновая, то на её выходе получается также линейно-поляризованный свет, но с направлением поляризации, перпендикулярным входящему. Разность фаз в 45^о даст циркулярную поляризацию.

Если между параллельными или скрещёнными поляроидами поместить двоякопреломляющую пластинку произвольной толщины и посмотреть через эту систему на белый свет, то мы увидим, что поле зрения стало цветным. Если толщина пластинки неодинакова, возникают разноцветные участки, потому что разность фаз зависит от длины волны света. Если один из поляроидов (все равно, какой) повернуть на 90^о, цвета изменятся на дополнительные: красный — на зелёный, жёлтый — на фиолетовый (в сумме они дают белый свет).

Поляризованный свет предлагали использовать для защиты водителя от слепящего света фар встречного автомобиля. Если на ветровое стекло и фары автомобиля нанести плёночные поляроиды с углом пропускания 45^о, например вправо от вертикали, водитель будет хорошо видеть дорогу и встречные машины, освещённые собственными фарами. Но у встречных автомобилей поляроиды фар окажутся скрещёнными с поляроидом ветрового стекла данного автомобиля, и свет фар встречных машин погаснет.

Два скрещённых поляроида составляют основу многих полезных устройств. Через скрещённые поляроиды свет не проходит, но, если поместить между ними оптический элемент, поворачивающий плоскость поляризации, можно открыть свету дорогу. Так устроены быстродействующие электрооптические модуляторы света. Между скрещёнными поляроидами помещается, например, двоякопреломляющий кристалл, на который подаётся электрическое напряжение. В кристалле в результате взаимодействия двух ортогональных линейно-поляризованных волн свет становится эллиптически-поляризованным с составляющей в плоскости пропускания второго поляроида (линейный электрооптический эффект, или эффект Поккельса). При подаче переменного напряжения будет периодически меняться форма эллипса и, следовательно, величина проходящей через второй поляроид составляющей. Так осуществляется модуляция — изменение интенсивности света с частотой приложенного напряжения, которая может быть очень высокой — до 1 гигагерца (10⁹ Гц). Получается затвор, прерывающий свет миллиард раз в секунду. Эго используют во многих технических устройствах — в электронных дальномерах, оптических каналах связи, лазерной технике.

Известны так называемые фотохромные очки, темнеющие на ярком солнечном свету, но не способные защитить глаза при очень быстрой и яркой вспышке (например, при электросварке) — процесс затемнения идёт сравнительно медленно. Поляризационные очки на эффекте Поккельса обладают практически мгновенной «реакцией» (менее 50 мкс). Свет яркой вспышки поступает на миниатюрные фотоприемники (фотодиоды), подающие электрический сигнал, под действием которого очки становятся непрозрачными.

Поляризационные очки используют в стереокино, дающем иллюзию объёмности. В основе иллюзии лежит создание стереопары — двух изображений, снятых под разными углами, соответствующими углам зрения правого и левого глаза. Их рассматривают так, чтобы каждый глаз видел только предназначенный для него снимок. Изображение для левого глаза проецируют на экран через поляроид с вертикальной осью пропускания, а для правого — с горизонтальной осью и точно совмещают их на экране. Зритель смотрит через поляроидные очки, в которых ось левого поляроида вертикальна, а правого горизонтальна; каждый глаз видит только «своё» изображение, и возникает стереоэффект.

Для стереоскопического телевидения применяется способ быстрого попеременного затемнения стёкол очков, синхронизированного со сменой изображений на экране. За счёт инерции зрения возникает объёмное изображение.

Поляроиды широко применяются для гашения бликов от стёкол и полированных поверхностей, от воды (отраженный от них свет сильно поляризован). Поляризован и свет экранов жидкокристаллических мониторов.

Поляризационные методы используются в минералогии, кристаллографии, геологии, биологии, астрофизике, метеорологии, при изучении атмосферных явлений.

Литература

Жевандров Н. Д. Поляризация света. — М.: Наука, 1969.

Жевандров Н. Д. Анизотропия и оптика. — М.: Наука, 1974.

Жевандров Н. Д. Применение поляризованного света. — М.: Наука, 1978.

Шерклифф У. Поляризованный свет / Пер. с англ. — М.: Мир, 1965.

Физпрактикум

ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ МИР

О свойствах поляризованного света, самодельных полярископах и о прозрачных предметах, начинающих переливаться всеми цветами радуги, журнал уже писал (см. «наука и жизнь» № 7, 1999 г.). Рассмотрим этот же вопрос с использованием новых технических устройств.

Любое устройство с цветным ЖК (жидкокристаллическим) экраном— монитор, ноутбук, телевизор, DVD-плеер, карманный компьютер, смартфон, коммуникатор, телефон, электронную фоторамку, MP3-плеер, цифровой фотоаппарат — можно использовать в качестве поляризатора (прибора, создающего поляризованный свет).

Дело в том, что сам принцип работы ЖК-монитора основан на обработке поляризованного света (1). Более подробное описание работы можно найти на http://master-tv.com/, а для нашего физпрактикума важно то, что если мы засветим экран белым светом, например, нарисовав белый квадрат или сфотографировав белый лист бумаги, то получим плоскополяризованный свет, на фоне которого мы и будем производить дальнейшие опыты.

Интересно, что, приглядевшись к белому экрану при большом увеличении, мы не увидим ни одной белой точки (2) — всё многообразие оттенков получается комбинацией оттенков красного, зелёного и синего цветов.

Может быть, по счастливой случайности наши глаза тоже используют три вида колбочек, реагирующих на красный, зелёный и синий цвета так, что при правильном соотношении основных цветов мы воспринимаем эту смесь как белый цвет.

Для второй части полярископа — анализатора — подойдут поляризованные очки фирмы «Polaroid», они продаются в магазинах для рыболовов (уменьшают блики от водной поверхности) или в автомагазинах (убирают блики от стеклянных поверхностей). Проверить подлинность таких очков очень просто: поворачивая очки относительно друг друга, можно практически полностью перекрыть свет (3).

Можно воспользоваться специальными поляризационными очками для стереокино (подробности на http://www.stereomir.ru/).

И, наконец, можно сделать анализатор из ЖК дисплейчика от испорченных электронных часов или других изделий с чёрно-белыми экранами( 4). При помощи этих несложных приспособлений можно увидеть немало интересного, а если поставить анализатор перед объективом фотоаппарата — сохранить удачные кадры (5).

Предмет из абсолютно прозрачной пластмассы — линейка (8), коробочка для CD-дисков (9) или сам «нулевой» диск (см. снимок на первой странице обложки), — помещённый между ЖК-экраном и анализатором, приобретает радужную окраску. Геометрическая фигурка из целлофана, снятого с сигаретной пачки и положенная на листок того же целлофана, становится цветной (6). А если повернуть анализатор на 90 градусов, все цвета изменятся на дополнительные — красный станет зелёным, жёлтый — фиолетовым, оранжевый — синим (7).

Причина этого явления в том, что прозрачный для естественного света материал на самом деле неоднороден, или, что то же самое, анизотропен. Его физические свойства, в том числе показатели преломления разных участков предмета, неодинаковы. Световой луч в нём расщепляется на два, которые идут с разными скоростями и поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Интенсивность поляризованного света, результат сложения двух световых волн, при этом не изменится. Но анализатор вырежет из него две плоско-поляризованные волны, колеблющиеся в одной плоскости, которые станут интерферировать (см. «Наука и жизнь» № 1, 2008 г.). Малейшее изменение толщины пластинки или напряжений в её толще приводит к появлению разности хода волн и возникновению окраски.

В поляризованном свете очень удобно изучать распределение механических напряжений в деталях машин и механизмов, строительных конструкциях. Из прозрачной пластмассы делают плоскую модель детали (балки, опоры, рычага) и прикладывают к ней нагрузку, моделирующую реальную. Разноцветные полосы, возникающие в поляризованном свете, указывают на слабые места детали (острый угол, сильный изгиб и пр.) — в них концентрируются напряжения. Меняя форму детали, добиваются наибольшей её прочности.

Проделать такое исследование несложно и самим. Из органического стекла (желательно однородного) можно вырезать, скажем, модель гака (крюка для подъёма груза), подвесить её перед экраном, нагружать гирьками разного веса на проволочных петельках и наблюдать, как в ней меняется распределение напряжений.

www.nkj.ru

Поляризованный свет | Журнал Популярная Механика

Поляризованный свет, свойства которого давно используются в промышленности и науке, в XXI веке облюбовали художники и фотографы. Чтобы оказаться на пике современного искусства, для начала хватит пары специальных фильтров, рулона целлофана, ножниц и клея.

Яркие, красочные картины, которые вы видите на этой странице, принадлежат перу художницы Остин Вуд-Комароу. Точнее, не перу — в этих работах нет ни капли краски. Мало того, все материалы, из которых они сделаны, абсолютно прозрачны и бесцветны. Такая картина называется полаж (polage) — это сочетание двух слов: поляризация и коллаж. Необычайно яркие, чистые, насыщенные цвета, которые вы видите на картине, — результат взаимодействия источника света, двух поляризационных фильтров и расположенного между ними в несколько слоев преломляющего свет материала. Эти цвета — ближайшие родственники радуги. Полаж — не статичное изображение. Один из поляризационных фильтров постоянно вращается, заставляя цвета картины изменяться и превращая прозрачный витраж в живой переливающийся калейдоскоп. Остин работает в изобретенной ей технике полажа давно — с 1967 года. Сегодня творческие эксперименты с поляризованным светом, будь то создание коллажей или фотосъемка выращенных кристаллов, стремительно набирают популярность и завоевывают репутацию искусства XXI века.

Ломая поверхность (Breaking The Surface) Размер: 158х158 см. Работа подсвечивается четырьмя люминесцентными лампами изнутри. В отличие от других картин Остин, у нее нет вращающегося верхнего поляризационного фильтра. Зритель может сам использовать фильтр как ему будет угодно.

Легкая теория

Свет, излучаемый обычными источниками, например солнцем, электрической лампочкой или свечкой, представляет собой совокупность электромагнитных волн, вектор электрической напряженности которых колеблется в самых разных плоскостях. Такой свет называется неполяризованным. Свет, в котором этот вектор колеблется только в одной плоскости, называется линейно поляризованным. Его можно получить, установив на пути пучка поляризационный фильтр. Если вслед за первым поляризационным фильтром установить еще один, свет сможет преодолеть их только в том случае, если плоскости поляризации обоих фильтров будут параллельны. Если же ориентировать фильтры перпендикулярно, свет пройти не сможет.

Свойства поляризационного фильтра давно используются в фотографии и в быту. К примеру, отраженный на границе двух прозрачных сред свет всегда частично поляризован, поэтому поляризационный фотофильтр эффективно нейтрализует яркие блики. Поляризованные линзы в солнцезащитных очках помогают автолюбителям справиться со слепящим блеском мокрого асфальта, а лыжникам и сноубордерам — с отраженным от снега солнечным светом. Наконец, на эффекте поляризации работают современные ЖК-экраны: жидкие кристаллы, поляризующие свет, меняют свое положение относительно поляризующей подложки, тем самым регулируя яркость каждой точки. Именно свойству кристаллов поляризовать свет мы и обязаны повсеместным использованием поляризации. Большинство поляризационных фильтров и пленок представляют собой слой ацетилцеллюлозы, содержащий большое количество мелких кристаллов, правильно ориентированных в момент изготовления фильтров с помощью электрического поля.

Мастер-класс для очкариков Вы можете последовать примеру Остин Вуд-Комароу и самостоятельно поэкспериментировать с аппликациями в поляризованном свете. Для начала придется раздобыть собственно поляризационную пленку. Она имеется в продаже для лабораторных нужд. Кроме пленки понадобится пара стекол, фоторамка и лампа. Итак, первое стекло будет служить предметным столом. Под ним следует разместить лампу, а на него положить поляризационную пленку. Второе стекло вместе со второй пленкой поместите в рамку — получится удобный в использовании верхний фильтр, который можно класть на картину сверху и поворачивать. Начните эксперимент с простого смятого целлофана — вы удивитесь, насколько причудливые разноцветные картины он может создавать благодаря наложениям и внутренним напряжениям. Можно также использовать очки с поляризованными линзами для предварительного просмотра полученных картин. Кстати, напряжения (натяжение, сжатие) прозрачных материалов ярко окрашиваются в поляризованном свете, и этот эффект уже давно используют в промышленности для дефектоскопии и анализа напряжений в прозрачных материалах.

Прозрачные вещества бывают оптически изотропными и анизотропными. Оптические свойства (показатель преломления, степень поглощения, дисперсия) изотропных веществ не зависят от направления распространения света. К таким веществам относятся аморфные вещества (например, стекло), а также кристаллы с кубической кристаллической решеткой.

Оптические характеристики анизотропных кристаллов зависят от направления распространения света, его длины волны и поляризации. Разные коэффициенты поглощения в зависимости от длины волны и направления поляризации приводят к плеохроизму — различной окраске кристаллов при рассмотрении с различных направлений. Скажем, кристалл апатита кажется на просвет светло-желтым вдоль оптической оси (осевая окраска) и зеленым перпендикулярно к ней (базисная окраска).

Во многих кристаллах наблюдается также двойное лучепреломление — разложение света на два пучка, поляризованные в перпендикулярных направлениях. В сочетании с дисперсией (зависимостью показателя преломления от длины волны) это приводит к различной окраске кристаллов при наблюдении в поляризованном свете.

Художница в темных очках

Итак, Остин не работает с кистью. Ее главный рабочий инструмент — острый резак, которым она вырезает фигуры из листов прозрачного целлофана. Этот прозрачный материал обладает оптической анизотропией — при изготовлении пленки из вискозы ее растягивают и длинные молекулы выстраиваются в цепочки.

Мольберт Остин — световой стол, дающий равномерное освещение по всей площади, и разложенная на нем поляризационная пленка. После завершения работа будет накрыта еще одним поляризационным фильтром, и ее можно будет увидеть невооруженным глазом. В процессе создания картины Остин работает в очках с поляризационными линзами. А для непосвященного зрителя незаконченный поляризационный коллаж выглядит как абсолютно белый лист.

Остин выкладывает фигуры на столе, подбирая количество слоев целлофана для каждого рисунка. От количества слоев зависит направление поляризации прошедшего света и, соответственно, цвет художественного элемента. Для одной работы Остин вырезает сотни, а то и тысячи фигур.

Направленный свет Фотографии наглядно демонстрируют, как бесцветный кристалл фторапатита, размещенный между двумя фильтрами с перпендикулярными плоскостями поляризации, обретает яркую разнообразную окраску.

Готовая работа Остин Вуд-Комароу представляет собой расположенные друг над другом световую подложку, нижнюю поляризационную пленку, собственно аппликацию из многослойного целлофана и верхнюю поляризационную пленку. Работы Остин не бывают статичными. К примеру, верхний фильтр может приводиться в движение электродвигателем со скоростью примерно два оборота в минуту. Зрителю предлагается наблюдать, как плавно, синхронно и причудливо меняются элементы картины, переливаясь всеми цветами радуги. Некоторые работы Остин оставляет без верхнего фильтра, чтобы зрители могли увидеть, как выглядит абсолютно прозрачная аппликация. Благодаря разному количеству слоев целлофана на разных элементах графики эти работы приобретают эффектный рельеф. Насладившись первозданной красотой, зритель может взять в руки поляризационный фильтр и полюбоваться полноцветным полажем, поиграть с цветами и формами, перемещая и поворачивая инструмент.

Работы Остин входят в постоянную экспозицию Музея науки в Бостоне, Музея естественной истории и науки в Альбукерке, Городка науки и индустрии в Париже. Небольшие красочные полажи Остин продает через интернет. Их можно посмотреть на ее сайте

В лучах компьютера

Микроскопические кристаллы — вовсе не единственные предметы, которые неплохо смотрятся в поляризованном свете. Вы вполне можете поэкспериментировать с макрообъектами, для съемки которых не нужен микроскоп. Понадобится лишь фотоаппарат с поляризационным фильтром и источник поляризованного света. Классические варианты таких источников — это лампа, закрытая поляризационной пленкой, или проектор для диафильмов с фильтром от фотоаппарата. Для начала в качестве источника света отлично подойдет жидкокристаллический монитор. Просто «закрасьте» экран белым цветом — и получите отличную лампу, в лучах которой простая коробочка от компакт-диска в ярких красках расскажет вам о своих внутренних напряжениях.

Кристаллическая живопись

Модное увлечение современных фотографов — съемка кристаллов в поляризованном свете — использует тот же принцип взаимодействия кристалла и двух фильтров. Только в этом случае художником выступает сама природа. Кристаллы разного размера и формы предстают перед нами в самых неожиданных раскрасках. При этом двух одинаковых кристаллов, а значит, и двух одинаковых фотографий не существует в природе.

Как вырастить кристаллы

Это достаточно несложный процесс. Для него понадобится: вода, вещество, из которого мы будем выращивать кристаллы (подойдут соль, алюмокалиевые квасцы или медный купорос), а также отрезок нити, кусок проволоки и открытая емкость, например, стеклянная банка или стакан.
Сначала нужно приготовить слегка перенасыщенный раствор вещества в воде. Например, медного купороса (пятиводного сульфата меди) — он имеет красивый синий цвет и кристаллы ромбической формы. Для этого слегка подогреем воду и начнем добавлять туда купорос, пока он не перестанет растворяться. После этого отделим чистый раствор от осадка, перелив его в банку или стакан. Положим сверху кусок проволоки в качестве перекладины, к которой привяжем нитку с «грузилом» (например, маленькой гайкой), погруженным в раствор. Поставим банку в теплое место. Через несколько дней часть воды испарится, и на нитке и гайке образуется множество мелких кристаллов. Постепенно они растут (возможно, в банку придется долить насыщенный раствор). Если хочется вырастить один большой кристалл, можно счистить лишние кристаллы с нити, оставив лишь один в качестве «затравки», и затем продолжить выращивание. За пару недель можно вырастить кристалл размером в несколько сантиметров.

Фотосъемка кристаллов в поляризованном свете — технически сложный вид фотографии. Прежде всего, для нее потребуется микроскоп с адаптером для фотоаппарата и собственно камера с поляризационным фильтром (или поляризационный микроскоп). Осветительную лампочку для препарата тоже придется оснастить фильтром. Самое сложное — раздобыть кристаллы, пригодные для съемки. Они должны тонким слоем покрывать поверхность предметного стекла.

Кристаллы можно получить выпариванием раствора или охлаждением расплава. В первом случае капельку насыщенного раствора вещества (это может быть поваренная соль или медный купорос) наносят на предметное стекло, накрывают другим стеклом и оставляют на несколько часов. Во втором случае твердое вещество (например, лимонную кислоту) кладут на стекло, которое в свою очередь нагревают на утюге или плите. Расплавившееся вещество накрывают другим стеклом. Важно выбрать момент, когда вещество уже стало жидким, но в нем еще не появились пузырьки.

Кристаллы могут изменять свою форму и структуру в течение последующих нескольких дней или даже недель. С ними можно проводить массу экспериментов — смешивать соли или сами кристаллы, выкладывать на предметном стекле разные формы, ломать и царапать препарат в поисках новых граней. Количество разнообразных фотографий ограничено лишь фантазией и терпением фотографа.

www.popmech.ru