РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Поляризация света

В начале XIX века, когда Т. Юнг и О. Френель развивали волновую теорию света, то есть видимого человеком излучения, природа световых волн была неизвестна. На первом этапе, как это считалось с древнейших времен, предполагалось, что свет представляет собой продольные волны, распространяющиеся в некоторой вселенской среде – Эфире. При изучении явлений интерференции и дифракции вопрос о том, являются ли световые волны продольными или поперечными, имел второстепенное значение. В то время казалось невероятным, что свет – это поперечные волны, так как по аналогии с механическими волнами пришлось бы предполагать, что Эфир – это твердое тело (поперечные механические волны не могут распространяться в газообразной или жидкой среде). Однако, постепенно накапливались экспериментальные факты, свидетельствующие в пользу поперечности световых волн. Еще в конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата (CaCO₃) раздваивает проходящие через него лучи. Это явление получило название двойного лучепреломления (рис. 1).

В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). Пластинки могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ (рис. 2).

Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos² φ:

Ни двойное лучепреломление, ни закон Малюса не могут найти объяснение в рамках теории продольных волн. Для продольных волн направление распространения луча является осью симметрии. В продольной волне все направления в плоскости, перпендикулярной лучу, равноправны. В поперечной волне (например, в волне, бегущей по резиновому жгуту) направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны (рис. 3).

Таким образом, асимметрия относительно луча является решающим признаком, который отличает поперечную волну от продольной. Впервые догадку о поперечности световых волн высказал Т. Юнг (1816 г.). Френель, независимо от Юнга, также выдвинул концепцию поперечности световых волн, обосновал ее многочисленными экспериментами и создал теорию двойного лучепреломления света в кристаллах. В середине 60-х годов XIX века Максвелл сделал вывод о том, что свет – это электромагнитные волны.

Этот вывод был сделан на основе совпадения известного значения скорости света со скоростью распространения предсказанных Максвеллом электромагнитных волн. К тому времени, когда Максвелл сделал вывод о существовании электромагнитных волн, поперечность световых волн уже была доказано экспериментально. Поэтому Максвелл справедливо полагал, что поперечность электромагнитных волн является еще одним важнейшим доказательством электромагнитной природы света. В электромагнитной теории света Дж. Максвелла, формализованной в ХХ веке математиками - релятивистами до такой степени, что они забыли или просто не знали, как люди далекие от физики, о том, что любые физические волны для своего существования требуют среды-носителя, исчезло понятие среды, Эфир был объявлен пережитком прошлого (вместе с логикой, которую, к примеру в России по указу Луначарского перестали преподавать в школах и гимназиях с 1918 г. и не преподают до сих пор).

Современная, то есть релятивистская модель электромагнитной волны такова. В электромагнитной волне вектора Поляризация света

перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 5.6.3). Во всех процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет электрический вектор Поляризация света

поэтому его называют световым вектором. Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, такую волну называют линейно-поляризованной или плоско-поляризованной (термин поляризация волн был введен Малюсом применительно к поперечным механическим волнам). Плоскость, в которой колеблется световой вектор Поляризация света

называется плоскостью колебаний (плоскость yz на рис. 5.6.3), а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор Поляризация света

– плоскостью поляризации (плоскость xz на рис. 5.6.3). Если вдоль одного и того же направления распространяются две монохроматические волны, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, то в результате их сложения в общем случае возникает эллиптически-поляризованная волна (рис. 4).

В эллиптически-поляризованной волне в любой плоскости P, перпендикулярной направлению распространения волны, конец результирующего вектора Поляризация света

за один период светового колебания обегает эллипс, который называется эллипсом поляризации. Форма и размер эллипса поляризации определяются амплитудами ax и ay линейно-поляризованных волн и фазовым сдвигом Δφ между ними. Частным случаем эллиптически-поляризованной волны является волна с круговой поляризацией (ax = ay, Δφ = ± π / 2). Рис. 5 дает представление о пространственной структуре эллиптически-поляризованной волны.

Линейно-поляризованный свет испускается лазерными источниками. Свет может оказаться поляризованным при отражении или рассеянии. В частности, голубой свет от неба частично или полностью поляризован. Однако, свет, испускаемый обычными источниками (например, солнечный свет, излучение ламп накаливания и т. п.), неполяризован.

Свет таких источников состоит в каждый момент из вкладов огромного числа независимо излучающих атомов с различной ориентацией светового вектора в излучаемых этими атомами волнах. Поэтому в результирующей волне вектор Поляризация света

беспорядочно изменяет свою ориентацию во времени, так что в среднем все направления колебаний оказываются равноправными. Неполяризованный свет называют также естественным светом. В каждый момент времени вектор Поляризация света

может быть спроектирован на две взаимно перпендикулярные оси (рис. 6).

Это означает, что любую волну (поляризованную и неполяризованную) можно представить как суперпозицию двух линейно-поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях волн: Поляризация света

Но в поляризованной волне обе составляющие E_x(t) и E_y(t) когерентны, а в неполяризованной – некогерентны, то есть в первом случае разность фаз между Ex(t) и Ey(t) постоянна, а во втором она является случайной функцией времени. Явление двойного лучепреломления света объясняется тем, что во многих кристаллических веществах показатели преломления для двух взаимно перпендикулярно поляризованных волн различны. Поэтому кристалл раздваивает проходящие через него лучи (рис. 1). Два луча на выходе кристалла линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Кристаллы, в которых происходит двойное лучепреломление, называются анизотропными. С помощью разложения вектора Поляризация света

на составляющие по осям можно объяснить закон Малюса (рис. 2). У многих кристаллов поглощение света сильно зависит от направления электрического вектора в световой волне. Это явление называют дихроизмом. Этим свойством, в частности, обладают пластины турмалина, использованные в опытах Малюса. При определенной толщине пластинка турмалина почти полностью поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн (например, Ex) и частично пропускает вторую волну (Ey). Направление колебаний электрического вектора в прошедшей волне называется разрешенным направлением пластинки. Пластинка турмалина может быть использована как для получения поляризованного света, так и для анализа характера поляризации света (поляризатор и анализатор). В настоящее время широко применяются искусственные дихроичные пленки, которые называются поляроидами. Поляроиды почти полностью пропускают волну разрешенной поляризации и не пропускают волну, поляризованную в перпендикулярном направлении. Таким образом, поляроиды можно считать идеальными поляризационными фильтрами. Рассмотрим прохождение естественного света последовательно через два идеальных поляроида П1 и П2 (рис. 7), разрешенные направления которых развернуты на некоторый угол φ. Первый поляроид играет роль поляризатора. Он превращает естественный свет в линейно-поляризованный. Второй поляроид служит для анализа падающего на него света.

Если обозначить амплитуду линейно-поляризованной волны после прохождения света через первый поляроид через Поляризация света

то волна, пропущенная вторым поляроидом, будет иметь амплитуду E = E₀ cos φ. Следовательно, интенсивность I линейно-поляризованной волны на выходе второго поляроида будет равна

Таким образом, в современной интерпретации электромагнитной теории света закон Малюса как-бы находит естественное объяснение на основе разложения вектора Поляризация света

на составляющие. На самом деле в электромагнитной волне отсутствуют электрические заряды (это вакуум!), поэтому вектора потенциальной (электростатической) напряженности E[V/m] там просто нет. В электромагнитной волне присутствует лишь вихревое электрическое поле напряженностью ε [V/виток], которая не нуждается в наличии электрических зарядов и с которой электротехники имеют дело каждый день, рассчитывая напряжение вторичных обмоток трансформаторов. Реально в электромагнитной волне, распространяющейся в Эфире, имеется тетрада компонент, последовательно сдвинутых на угол 90°:

Подробнее смотрите в статьях К.А.Хайдарова, ссылки на которые есть ниже.

Литература по поляризации

Знаете ли Вы, что "тёмная материя" - такая же фикция, как черная кошка в темной комнате. Это не физическая реальность, но фокус, подмена.
Реально идет речь о том, что релятивистские формулы не соответствуют астрономическим наблюдениям, давая на порядок и более меньшую массу и меньшую энергию. Отсюда сделан фокуснический вывод, что есть "темная материя" и "темная энергия", но не вывод, что релятивистские формулы не соответствуют реалиям. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.