какие световые волны называются поляризованными

Поляризация света для «чайников»: определение, суть явления и сущность

В нашем блоге уже можно найти статьи про преломление, дисперсию и дифракцию света. Теперь пришло время поговорить о том, в чем заключается сущность поляризации света.

В самом общем смысле правильнее говорить о поляризации волн. Поляризация света, как явление, представляет собой частный случай поляризации волны. Ведь свет представляет собой электромагнитное излучение в диапазоне, воспринимаемом глазами человека.

Что такое поляризация света

Поляризация – это характеристика поперечных волн. Она описывает положение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Если этой темы не было на лекциях в университете, то вы, вероятно, спросите: что это за колеблющаяся величина и какому направлению она перпендикулярна?

Как выглядит распространение света, если посмотреть на этот вопрос с точки зрения физики? Как, где и что колеблется, и куда при этом летит?

Электромагнитная волна

Свет – это электромагнитная волна, которая характеризуется векторами напряженности электрического поля E и вектором напряженности магнитного поля Н. Кстати, интересные факты о природе света можно узнать из нашей статьи.

Согласно теории Максвелла, световые волны поперечны. Это значит, что векторы E и H взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны.

Поляризация наблюдается только на поперечных волнах.

Для описания поляризации света достаточно знать положение только одного из векторов. Обычно для этого рассматривается вектор E.

Если направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, свет называется поляризованным.

Возьмем свет на рисунке, который приведен выше. Он, безусловно, поляризован, так как вектор E колеблется в одной плоскости.

Если же вектор E колеблется в разных плоскостях с одинаковой вероятностью, то такой свет называется естественным.

Поляризация света

Поляризация света по определению – это выделение из естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Откуда берется поляризованный свет?

Свет, который мы видим вокруг себя, чаще всего неполяризован. Свет от лампочек, солнечный свет – это свет, в котором вектор напряженности колеблется во всех возможных направлениях. Но если вам по роду деятельности приходится весь день смотреть в ЖК-монитор, знайте: вы видите поляризованный свет.

Естественный, поляризованный и частично поляризованный свет

Чтобы наблюдать явление поляризации света, нужно пропустить естественный свет через анизотропную среду, которая называется поляризатором и «отсекает» ненужные направления колебаний, оставляя какое-то одно.

Анизотропная среда – среда, имеющая разные свойства в зависимости от направления внутри этой среды.

В качестве поляризаторов используются кристаллы. Один из природных кристаллов, часто и давно применяемых в опытах по изучению поляризации света — турмалин.

Поляризация отражением

Связь между углом падения и степенью поляризации света выражается законом Брюстера.

Когда свет падает на границу раздела под углом, тангенс которого равняется относительному показателю преломления двух сред, отраженный луч является линейно поляризованным, а преломленный луч поляризован частично с преобладанием колебаний, лежащих в плоскости падения луча.

Практическое применение явления поляризации света

Поляризация света – не просто явление, которое интересно изучать. Оно широко применяется на практике.

Пример, с которым знакомы почти все – 3D-кинематограф. Еще один пример – поляризационные очки, в которых не видно бликов солнца на воде, а свет фар встречных машин не слепит водителя. Поляризационные фильтры применяются в фототехнике, а поляризация волн используется для передачи сигналов между антеннами космических аппаратов.

Фото, сделанные с применением поляризационного фильтра и без него

Чтобы не терять время и преодолеть трудности максимально быстро, обратитесь за советом и помощью к нашим авторам. Мы поможем выполнить реферат, лабораторную работу, решить контрольные задания на тему «поляризация света».

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Источник

Поляризация (света волн)

Поляризация это процессы связанные с разделением объектов, например света или механических волн, слово поляризация произошло от (фр. polarisation; от лат. polus ← др.-греч. πόλος, букв. — «ось»). В оптике, это связано с поглощением света, которая отражается от горизонтальных поверхностей тонкой прозрачной пленкой которая закреплена на линзах очков.

Так как электромагнитны волны солнечного света расходятся во всех направлениях. На своем пути встречаются с поверхностями которые их отражают, они разделяются на вертикальные и горизонтальные плоскости.

К примеру кроме обычной поляризации бывают другие как поляризация диэлектрика.

Что такое поляризация света

При графическом изображении электромагнитной волны различают две характерные плоскости, в которых происходят колебания векторов напряженности электрического (Е) и магнитного (Н) полей. Эти плоскости взаимно перпендикулярны.

В связи с тем что как химическое, так и биологическое действие света (в частности, действие на глаз) связано в основном с электрической составляющей поля электромагнитной волны, вектор Е напряженности этого поля называют световым вектором, а плоскость колебаний этого вектора — плоскостью колебаний световой волны.

В любом источнике света волны излучаются множеством атомов и молекул, световые векторы этих волн расположены в разнообразных плоскостях, а колебания происходят в различных фазах. Поэтому плоскость колебаний светового вектора результирующей волны непрерывно изменяет свое положение в пространстве. Такой свет называется естественным, или неполяризованным.

Получение поляризационного света

При некоторых условиях, например при прохождении света через кристаллы, можно получить свет, плоскость колебаний волны которого занимает постоянное положение в пространстве. Такой свет называется плоско-поляризованным.

Кристалл в этом случае служит поляризатором световой волны. Вследствие упорядоченного расположения атомов и молекул в пространственной решетке кристалл пропускает только колебания светового вектора, происходящие в некоторой характерной для данной решетки плоскости. Это можно сопоставить с предыдущим опытом поляризации волны на упругом шнуре (см. рис. 2, в).

Плоская поляризация света (слово плоская в дальнейшем опускаем), может быть также и частичной. В этом случае амплитуда колебаний светового вектора в какой-либо одной плоскости значительно превышает амплитуды колебаний в остальных плоскостях.

Глаз не отличает поляризованный свет от естественного, поэтому, несмотря на то что вокруг нас часто происходит поляризация света, особенно частичная, мы этого не замечаем. Однако существует ряд явлений, свойственных только поляризованному свету, благодаря которым он и обнаруживается.

Поляризация света происходит, например, при отражении и преломлении света в прозрачных средах. Как отраженный, так и преломленный свет частично поляризован, причем колебания преломленного луча лежат в плоскости П падения и отраженного — в плоскости О, ей перпендикулярной (рис. ). Степень поляризации отраженного света зависит от угла падения. При угле падения а, удовлетворяющем условию:

где п — показатель преломления среды, происходит полная поляризация отраженного света (закон Брюстера),

Поляризация происходит также при рассеянии света. Степень поляризации тем выше, чем меньше размеры частиц, на которых происходит рассеяние. Свет голубого неба, например, частично поляризован.

Применение поляризации света

Примером, является 3D-кинематограф.

Поляризационные очки, скрывающие солнечные блики от воды и света фар на трассе.

Фильтры задействованы в фототехнике, а поляризация волн применяется с целью передачи сигналов между антеннами разных космических аппаратов.

Одной из главнейших повседневных задач светотехники считается постепенное изменение и регулирование интенсивности световых потоков. Решение данной задачи за счет пары поляризаторов (поляроидов) обладает определенными преимуществами перед остальными методами регулирования. Поляроиды могут изготавливаться в формате больших размеров, что предполагает употребление таких пар не только в лабораторных установках, но и в иллюминаторах пароходов, окнах ж/д вагонов и пр.

Поляризационная блокировка, применяемая в световом оборудовании рабочего места операторов, которые обязаны видеть одновременно, например, экран осциллографа и определенные таблицы, карты или графики.

Поляроиды могут оказаться полезными для тех, чья работа связана с водой (моряки, рыбаки), с целью гашения зеркально отражающихся от воды бликов, частично поляризованных.

Поляризация механических волн

В поперечной механической волне, например в волне на упругом шнуре, колебания частиц могут происходить в любых направлениях, лежащих в плоскости, перпендикулярной оси шнура, т, е. направлению распространения волны.

Если направление колебаний остается неизменным, то вся волна распространяется в плоскости, которая занимает определенное положение в пространстве (рис. 2, б). Такая волна называется плоскополяризованной.

Если направление колебаний периодически или беспорядочно меняется, то соответственно будет изменяться и положение в пространстве плоскости, в которой волна распространяется (рис. 2, а). Такая волна называется естественной или неполяризованной.

Получение плоской поляризационной волны

Если повернуть щель на некоторый угол, то на этот же угол повернется и плоскость, в которой происходят колебания. Таким образом, положение щели поляризатора обусловливает положение плоскости колебаний поляризованной волны.

Поставим на пути волны вторую щель. Если положения щелей совпадают (рис. 3, а), то колебания, поляризованные первой щелью, будут проходить через вторую щель без изменения амплитуды. Если повернуть вторую щель на некоторый угол а, то после прохождения второй щели плоскость колебаний повернется на такой же угол, а амплитуда а колебаний уменьшится (рис. 3, б) по закону:

где а_т — амплитуда колебаний перед щелью.

Если вторую щель расположить перпендикулярно первой, то колебания за ней распространяться не будут (рис. 3, в).

Вращая вторую щель вокруг оси, совпадающей с направлением распространения волны, и определяя положения щели, соответствующие полному пропусканию или гашению колебаний, можно определить положение в пространстве плоскости колебаний поляризованной волны. В связи с этим вторая щель в данных условиях называется анализатором.

Двойное лучепреломление

В некоторых кристаллах происходит явление, называемое двойным лучепрелом лением. Оно используется для получения поляризованного света. Часто при этом применяют кристаллы кальцита, или исландского шпата, особенно разновидность их, имеющую форму ромбоэдра, т. е. шестигранника, все грани которого являются ромбами с тупыми углами, равными 102° (рис. 4). В кристалле есть две вершины О и О’, в которых грани сходятся под тупыми углами.

Прямая, проходящая через эти вершины, определяет в кристалле направление, по которому оптические свойства его наиболее отличаются от свойств в других направлениях. Линия, проведенная через любую точку кристалла параллельно этому направлению, называется оптической осью кристалла. Свет, проходящий вдоль оптической оси кристалла, не претерпевает двойного лучепреломления.

Двойное лучепреломление заключается в раздвоении световых лучей при прохождении через кристалл. Например, узкий световой пучок Л (рис. 4, а), преломляясь на грани кристал ла, разделяется на два пучка Л₁ и Л₂, которые проходят кристалл по несколько отличным направлениям. Если кристалл представляет плоскопараллельную пластинку, то из него будут выходить два параллельных световых пучка по интенсивности равных примерно половине силы падающего света.

Если сквозь двояко преломляющий кристалл посмотреть на какой-либо предмет, его контуры будут наблюдаться сдвоенными.

С точки зрения принципа Гюйгенса при двойном лучепреломлении в каждой точке поверхности волны, достигающей грани кристалла, возникает не одна, как в обычных средах, а одновременно две элементарных волны, которые и распространяются в кристалле. Скорость распространения одной волны по всем направлениям одинакова, т. е. волна имеет сферическую форму. Эта волна называется обыкновенной. Скорость распространения другой волны по направлению оптической оси 00′ кристалла одинакова со скоростью обыкновенной волны, а по направлению, перпендикулярному к оптической оси, от нее отличается (у кристаллов кальцита она больше). Волна имеет эллипсоидальную форму и называется необыкновенной.

Соответственно в кристалле образуется и две системы световых лучей: лучи обыкновенные ОБ и лучи необыкновенные Необ, которые распространяются по несколько различным направлениям.

Обыкновенные лучи лежат в плоскости падения и имеют обычный для данного вещества показатель преломления. Необыкновенные лучи лежат в плоскости, проходящей через падающий луч и оптическую ось кристалла, проведенную в точке падений луча (эта плоскость называется главной плоскостью кристалла), и показатель преломления для них отличается.

Как обыкновенные, так и необыкновенные лучи поляризованы. Плоскость колебаний обыкновенных лучей перпендикулярна главной плоскости. Колебания необыкновенных лучей лежат в главной плоскости кристалла.

Особенность хода необыкновенного луча можно показать в случае перпендикулярного падения света на грань кристалла (см. рис. 4, б). Обыкновенный луч MR проходит кристалл, не изменяя направления. Необыкновенный луч MQ преломляется так, что лежит в главной плоскости кристалла (плоскость ОВО’С). Если по выходе из кристалла лучи направить на экран, а затем вращать кристалл вокруг оси, совпадающей с направлением падающего луча, то светлое пятнышко от необыкновенного луча в связи с поворотом главной плоскости кристалла будет двигаться по окружности вокруг светлого пятнышка от обыкновенного луча как центра.

Призма Николя

Для получения поляризованного света пользуются, например, поляризационной призмой Николя. Из, кальцита выкалывают призму определенной формы и размеров, затем ее распиливают по диагональной плоскости и склеивают — канадским бальзамом. При падении светового луча на верхнюю грань вдоль оси призмы необыкновенный луч ОЕ падает на плоскость склейки под меньшим углом и проходит, почти не изменяя направления. Обыкновенный луч OF падает под углом большим, чем угол полного отражения для канадского бальзама, отражается от плоскости склейки и поглощается зачерненной гранью ВС призмы.

Призма Николя дает полностью поляризованный свет, плоскость колебаний которого лежит в главной плоскости призмы (плоскость A BCD). Существуют двоякопреломляющие кристаллы, например турмалин, которые обладают дихроизмом, т. е. свойством неодинаково поглощать лучи, колебания которых происходят в разных плоскостях. При двойном лучепреломлении в таком кристалле обыкновенные лучи почти полностью поглощаются, а необыкновенные проходят насквозь и образуют поляризованный свет, колебания которого лежат в главной плоскости кристалла.

В настоящее время для получения поляризованного света пользуются поляроидами, или поляризационными светофильтрами. Последние представляют собой прозрачную пленку, которая содержит кристаллы поляризующего свет дихроичного вещества, например герапатита (сернокислый иодхинин). В процессе изготовления пленки кристаллы ориентируются так, чтобы их оптические оси были параллельны. В результате они дают поляризованный свет с колебаниями в одной определенной плоскости.

Двойное лучепреломление может быть вызвано в некоторых твердых и жидких диэлектриках, например нитробензоле, под действием электрического поля (явление Керра). Предполагается, что молекулы этих веществ оптически анизотропны, но вследствие беспорядочного расположения и теплового движения молекул анизотропия вещества в целом не проявляется. Под действием электрического поля происходит ориентационная поляризация молекул и вещество становится анизотропным — в нем появляется двойное лучепреломление. При прекращении действия поля вещество возвращается в исходное состояние.

Прохождение поляризованного света через анализатор

В основе приборов, используемых для исследований в поляризованном свете, лежит система из расположенных вдоль направления световых лучей поляризатора и анализатора, между которыми помещается исследуемый объект.

Анализатором служит прибор, подобный поляризатору, но приспособленный для вращения вокруг продольной оси. Анализатор пропускает только колебания, совпадающие с его главной плоскостью. В противном случае через анализатор проходит только составляющая колебаний, совпадающая с этой плоскостью. Поэтому сила света, который проходит через анализатор, зависит от угла поворота его главной плоскости относительно плоскости колебаний поляризованного света или, что то же самое, главной плоскости поляризатора.

Сила света I, прошедшего через анализатор, прямо пропорциональна квадрату косинуса угла а между главными плоскостями анализатора и поляризатора (закон Малюса):

где I₀ — сила света, падающего на анализатор.

Прохождение света через систему поляризатор — анализатор показано схематически на рис. 5. Поляризатор П и анализатор А изображены в виде поляроидных пленок, положение главных плоскостей которых обозначено стрелка ми.

Если эти плоскости совпадают, то свет полностью проходит через анализатор и освещает экран Э (рис. 5, а). Если они расположены под некоторым углом, свет проходит через анализатор, но ослабляется (рис. 5, б) и тем больше, чем ближе этот угол к 90°. Если эти плоскости взаимно перпендикулярны, то свет полностью гасится анализатором (рис. 5, в).

На рис. 5, г показана освещенность экрана при изменении угла между главными плоскостями поляризатора П и анализатора А на 360°, при этом экран два раза (угол 0° и 180°) максимально освещается и два раза (угол 90° и 270°) полностью затемняется. При остальных значениях углов освещенность имеет промежуточное значение.

Таким образом, путем вращения анализатора вокруг продольной оси и наблюдения, например, тех положений его главной плоскости, при которых происходит полное гашение света, можно установить положение плоскости колебаний поляризованного света.

Микроструктуры в поляризованном свете

Поляризованный свет применяется для исследования оптически анизотропных микроструктур как в технике, так и в медицине. Он позволяет установить их строение и расположение, что во многих случаях не удается при микроскопировании в естественном свете.

Оптическая анизотропия наблюдается у мышечных, соединительно-тканых (коллагеновых) и нервных волокон. Само название скелетных мышц поперечнополосатые связано с различием оптических свойств отдельных участков мышечного волокна. Оно состоит из чередующихся более темных Q и более светлых I участков вещества ткани.

Это придает волокну поперечную исчерченность. Исследование мышечного волокна в поляризованном свете обнаруживает, что более темные участки являются анизотропными и обладают свойством двойного лучепреломления, тогда как более светлые участки являются изотропными. Коллагеновые волокна анизотропны, оптическая ось их расположена вдоль оси волокна.

Мицеллы в мякотной оболочке нейрофибрилл также анизотропны, но оптические оси их расположены в радиальных направлениях.

Для гистологического исследования этих структур применяется поляризационный микроскоп; он имеет устройство, сходное с обычным биологическим микроскопом, но снабжен двумя призмами Николя: одна расположена перед конденсором и служит поляризатором, вторая — в тубусе между объективом и окуляром и служит анализатором. Предметный столик вращается вокруг продольной оси микроскопа на 360°.

Если в поляризационный микроскоп, установленный на «скрещенные николи», т. е. на максимальное затемнение поля зрения, поместить препарат с изотропной структурой, то поле зрения останется темным.

В случае, когда между поляризатором и анализатором помещен препарате анизотропными структурами, то свет, прошедший поляризатор, будет в них вновь двояко преломляться. В связи с чем он не гасится полностью анализатором и эти структуры будут видны на общем темном фоне.

Вращение плоскости колебаний поляризованного света

Некоторые кристаллы, а также растворы органических веществ обладают свойством вращать плоскость колебаний проходящего через них поляризованного света. Эти вещества называются оптически активными. К ним относятся, например, сахара, кислоты, алкалоиды и др.

Свойство вращать плоскость колебаний поляризованного света может быть вызвано в некоторых веществах под действием магнитного поля, линии напряженности которого расположены по направлению распространения света. Это явление было открыто Фарадеем.

Вращение плоскости колебаний поляризованного света можно наблюдать на следующем опыте. Между поляризатором П и анализатором а помещена кювета к с раствором сахара. Через эту систему пропускается узкий пучок монохроматического света и наблюдается световое пятнышко, получающееся от него на экране Э.

В отсутствии кюветы максимум яркости пятна получается при совпадении главных плоскостей поляризатора и анализатора, а полное затемнение — при их взаимно перпендикулярном расположении. При наличии кюветы для получения аналогичных результатов необходимо повернуть анализатор на некоторый угол. Это и есть угол, на который раствор в кювете повернул плоскость колебаний поляризованного света.

Для растворов оптически активных веществ угол φ вращения плоскости колебаний монохроматического света зависит от природы вещества, концентрации С раствора и длины l столба раствора, который проходит свет:

φ = αСl,

где α — коэффициент, называемый удельным вращением.

Удельное вращение — это увеличенный в сто раз угол вращения для столба раствора длиной 1 дм (10 см) при концентрации вещества 1 г на 100 см 3 раствора, при температуре 20°С и при длине волны света (желтая линия Д паров натрия λ = 589 ммк). Для глюкозы α = 52,8°.

Кроме того, угол вращения приблизительно обратно пропорционален квадрату длины волны света (закон Био):

φ = a/ λ 2

где а — экспериментальная постоянная. В связи с этим, если в условиях опыта применить белый свет, то анализатор при повороте будет пропускать поочередно лучи различной длины волны и отброшенное на экран пятно будет соответственно менять цвет. Это явление называется вращательной дисперсией. Для того чтобы исключить дисперсию, при обычных исследованиях применяется монохроматический свет.

Определение направления и величины угла вращения плоскости колебаний поляризованного света применяется при качественном и количественном анализе различных веществ. Метод называется поляриметрией.

Сахариметрия

В клинических условиях он применяется для определения концентрации сахара, если последний находится в моче. При этом применяется прибор, называемый сахариметром. Оптическая система его состоит из источника монохроматического света И, поляризатора 17, трубки К с исследуемым раствором и анализатора А, укрепленного на вращающемся диске Д с делениями. Сначала без исследуемого раствора анализатор устанавливают на максимальное затемнение поля зрения.

Затем помещают в прибор трубку с раствором, и, вращая анализатор, снова добиваются затемнения поля зрения. Наименьший из двух углов, на который при этом необходимо повернуть анализатор, и является углом вращения для исследуемого вещества. По величине угла вычисляется концентрация сахара в растворе.

Для упрощения расчетов трубку с раствором делают такой длины, чтобы угол поворота анализатора (в градусах) численно равнялся концентрации С раствора (в граммах на 100 см 3 ). При этом условии длина трубки для глюкозы составляет 19 см.

Сахариметр типа СМ состоит из штатива Ш, на котором укреплен осветитель О и измерительная трубка Т. Оптическая система трубки содержит светофильтр Ф, поляризатор Я, трубку К с исследуемым раствором, анализатор А с круговой шкалой М и нониусом Н для отсчета углов, а также подвижную муфту с окуляром и лупами Л для наблюдения шкалы. Поляризатор и анализатор представляют собой поляроидные пленки.

Оптическая система содержит также диафрагму Д с кварцевой пластинкой, что позволяет более точно производить фотометрический отсчет. Отсчет основан на уравнивании яркости трех частей: средней и двух боко вых, на которые разделено поле зрения. Средняя часть освещает с я светом, прошедшим через кварцевую пластинку, которая сама дает небольшой угол поворота плоскости колебаний поляризованного света.

Момент исчезновения границы между ними позволяет точно установить положение анализатора. Соответствующий угол поворота φ₀ анализатора и принимают за исходный. Затем в прибор вставляют трубку с раствором. При этом равномерность освещения частей поля зрения нарушается. Дальнейшим поворотом анализатора вторично добиваются равномерной освещенности всего поля зрения и отсчитывают угол поворота φ_р. Искомый угол φ вращения раствора находят по разности: φ = φ_р — φ₀.

Статья на тему Поляризация

Похожие страницы:

Понравилась статья поделись ей

Источник