Curs 10. Polarizarea luminii
Modulul 3.2 Optica pe unde
Concepte de bază. valuri de polarizare, lumina naturală, tipuri de polarizare, polarizare circulară, polarizare eliptică, polarizare liniară, legea Malus, legea lui Brewster, birefringența, cristale pozitive și negative, ordinare și extraordinare fascicul
1. Polarizarea unui val electromagnetic. Tipuri de polarizare.
2. Lumină naturală, polarizată și lumină parțial polarizată. Grad de polarizare.
4. Polarizarea luminii în reflecție și refracție. Legea lui Brewster.
5. Polarizarea luminii în birefringență.
Undele transversale, spre deosebire de cele longitudinale (de exemplu, undele sonore), pot fi în stări de polarizare diferite.
Un val strict monocromatic (sinusoidal) de o frecvență cu valori constante ale amplitudinii și fazei inițiale este întotdeauna polarizat.
Starea de polarizare este determinată de modelul de proiecție - de tipul traiectoriei sfârșitului vectorului (intensitatea câmpului electric) în proiecție pe un plan perpendicular pe direcția de propagare atunci când este privit opus valului.
Lăsați undele să se propageze în direcția axei x. Vibrațiile vectorului în undă pot fi reprezentate ca sumă a vibrațiilor perpendiculare reciproce:
unde este diferența de fază.
și, excluzând faza j, obținem ecuația elipsei în coordonate (Ey, Ez):
Astfel, undele electromagnetice de o frecvență în cazul general au polarizare eliptică. Dacă în formula (1), atunci elipsa de polarizare se transformă într-un cerc - polarizare circulară (figura 1a):
, dacă în formula (1), atunci elipsa de polarizare degenerează într-un segment de linie dreaptă - polarizare liniară (figura 1b):
Polarizarea eliptică și circulară poate fi dreaptă și stângă, în funcție de direcția de rotație a vectorului în imaginea de proiecție atunci când este privită spre val. Figura la arată polarizarea circulară stângă (vectorul se rotește în direcția mișcării în sensul acelor de ceasornic)
Vibrațiile vectorului în procesul de propagare a unei astfel de valuri apar într-un plan, care se numește planul de polarizare (vezi figura 1b). Un val cu polarizare liniară este numit și un val polarizat plan.
2. Lumină naturală, polarizată și parțial polarizată. Lumina naturală din surse precum soarele, lămpile cu incandescență, lămpile cu descărcare în gaz este nepolarizată. Această radiație a multor atomi și molecule excitate. Fiecare atom, indiferent de ceilalți, "evidențiază" o serie de fluctuații în timp # 964;
10-8 ¸10 -9 cu. O astfel de serie este numită tren de valuri. Perioada oscilațiilor de lumină T
10 -15 s. Un tren conține
10 6 ¸ 10 7 din total oscilații și are o lungime în spațiul L ^
0.3 ¸ 3 m, unde c = 3 · 10 8 m / s - viteza luminii în vid. Faza inițială și direcțiile oscilațiilor vectorului variază aleatoriu de la tren la tren. Ca urmare a suprapunerii unui set de trenuri, se formează o lumină naturală (nepolarizată). Fig. 2
Modelul de proiecție al vibrațiilor în lumină naturală este reprezentat ca un set echilibrat de polarizări lineare, așa cum se arată în Fig. 2.
Dacă vectorul din fiecare tren este descompus în două componente, atunci oscilațiile de-a lungul axelor y și z în medie au aceeași intensitate:
unde este intensitatea luminii naturale.
Lumina polarizată poate fi obținută de la polarizatorul natural. Polarizatoarele sunt dispozitive pentru obținerea luminii polarizate. Cel mai simplu polarizator este un film polaroid cu o substanță specială care trece vibrațiile vectorului într-o anumită direcție și absoarbe oscilațiile în direcția ortogonală (figura 3a).
Un val de lumină conține oscilații ale multor frecvențe. Dacă intervalul de frecvență în apropierea frecvenței medii w este limitat și condiția este îndeplinită, lumina se numește monocromatică. Oscilațiile într-un val monocromatic sunt descrise prin expresie
, unde amplitudinea E0 (t) - o funcție relativ lent de timp și w și k - valorile medii (k = w / v), al J0 fazei inițiale (t) neregulat (aleatoriu) se modifică în timp, în intervalul de la 0 la 2p.
Lumina parțial polarizată poate fi privită ca un amestec de lumină polarizată și naturală. Pentru o astfel de lumină introducem noțiunea de grad de polarizare (P):