Свет — это электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве с конечной скоростью. Вектор электрического поля E и вектор магнитного поля B взаимно перпендикулярны и ортогональны направлению распространения волны. В обычных условиях наблюдаемый свет представляет собой суперпозицию множества волн с разными направлениями векторов E, разными фазами, амплитудами и поляризациями. Такой свет называется естественным или неполяризованным.
Естественный свет — это свет, у которого направление колебаний вектора электрического поля изменяется хаотически с течением времени. Источники естественного света (например, Солнце, лампы накаливания, свечи) испускают волны с разными поляризациями, которые складываются, образуя в среднем свет без определённого направления колебаний.
Основные характеристики естественного света:
При прохождении естественного света через оптические системы или при отражении от поверхностей может происходить частичная поляризация.
Поляризация света — это упорядочение направления колебаний вектора электрического поля E электромагнитной волны. Свет считается поляризованным, если его вектор E не изменяет своего направления во времени случайным образом, а подчиняется определённому закону.
Различают несколько типов поляризации:
Линейно поляризованный свет характеризуется тем, что вектор E колеблется в одной фиксированной плоскости, называемой плоскостью поляризации. Такая поляризация может быть получена, например, при прохождении света через поляризатор или при отражении под определённым углом (углом Брюстера).
Если вектор E направлен, скажем, строго вертикально или горизонтально, то поляризация считается вертикальной или горизонтальной соответственно.
Круговая поляризация возникает, когда две взаимно перпендикулярные линейно поляризованные волны одинаковой амплитуды сдвинуты по фазе на π/2. В этом случае конец вектора E описывает окружность в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света. Различают правую и левую круговую поляризацию, в зависимости от направления вращения вектора E.
Эллиптическая поляризация — наиболее общий случай, при котором амплитуды двух взаимно перпендикулярных компонент не равны, или фазовый сдвиг отличается от π/2. Конец вектора E описывает эллипс. Линейная и круговая поляризации являются частными случаями эллиптической.
Поляризация отражением При отражении света от диэлектрической поверхности под определённым углом (угол Брюстера) отражённый свет становится частично или полностью линейно поляризованным. Угол Брюстера определяется условием:
$$ \tan \theta_B = \frac{n_2}{n_1}, $$
где n1 и n2 — показатели преломления двух сред.
Поляризация преломлением На границе раздела сред, если свет преломляется, могут возникать волны с разной амплитудой для компонент вектора E, перпендикулярной и параллельной плоскости падения. Это также ведёт к частичной поляризации.
Поляризация с помощью поляризаторов Поляризаторы (например, поляроиды или кристаллы типа турмалина) пропускают свет только с определённой ориентацией вектора E, блокируя остальные направления. Поляризатор преобразует естественный свет в линейно поляризованный.
Поляризация с помощью двупреломляющих кристаллов В анизотропных кристаллах (например, исландском шпате) свет распадается на два луча — обыкновенный и необыкновенный — с различной скоростью распространения и разными направлениями поляризации. Это явление называется двойным лучепреломлением.
Поляризация с помощью интерференции и дифракции При наложении волн с определённой фазовой разностью можно добиться определённого состояния поляризации. Такие методы используются, например, в жидкокристаллических дисплеях.
Состояние поляризации можно описывать:
На практике свет редко бывает полностью поляризованным. В большинстве случаев он представляет собой частично поляризованный свет, сочетающий в себе поляризованную и неполяризованную составляющие.
Степень поляризации P определяется как:
$$ P = \frac{I_\text{max} - I_\text{min}}{I_\text{max} + I_\text{min}}, $$
где Imax и Imin — максимальная и минимальная интенсивности, измеренные после прохождения света через анализатор, при его вращении.
Если P = 0, свет полностью неполяризован. Если P = 1, свет полностью поляризован.
Поляризация используется во множестве областей науки и техники:
Поляризованный свет позволяет выявить анизотропию вещества, внутренние напряжения, особенности молекулярной структуры. Вещества, обладающие оптической активностью, поворачивают плоскость поляризации линейно поляризованного света. Явление называется вращением плоскости поляризации, или оптической активностью, и наблюдается, например, в растворах сахаров и некоторых кристаллах.
Влияние вещества на поляризацию можно количественно описывать с помощью угла вращения, зависящего от длины волны, концентрации и толщины вещества.
Поляризация света — фундаментальное явление в оптике, раскрывающее не только волновую природу света, но и тонкую структуру взаимодействия излучения с веществом.