Фізична оптика (стр. 3 из 5)

Світло називають поляризованим, якщо напрям векторів

і залишається постійним у часі або змінюється згідно з певним законом. Для неполяризованого (природного) світла напряму коливань векторів і швидко і безладно заміняють одна одну, причому ця сукупність коливань статистично симетрична відносно напряму поширення хвилі. Розглянемо можливі стани поляризації світла на прикладі монохроматичної хвилі. Трійка векторів , , з довільною орієнтацією векторів до відносно вектора , що співпадає з віссю Z прямокутної системи координат , зображена на рис. 4. Проекції вектора на осі координат і можна представити як гармонічні коливання з амплітудами , і деякою різницею фаз . Відомо, що кінець вектора описує в площині криву, що має таке рівняння:

Рис. 4 – Прямокутна система координат

. (13)

Останнє рівняння задає еліпс, велика вісь якого нахилена під деяким кутом

до осі (рис. 5, а). Отже, світлова хвиля в загальному випадку поляризована еліптично. Поляризацію називають правою (ПР), коли спостерігачеві, що дивиться назустріч світловому променю, здається, що кінець електричного вектора описує еліпс, рухаючись за годинниковою стрілкою, і лівої – при протилежному русі. Для поляризованого світла різниця фаз коливань вздовж осей і залишається постійною за час спостереження. Якщо , де , то еліпс (13) вироджується в пряму лінію:

.

Рис. 5 – Поляризація світової хвилі

У цьому випадку світло називають лінійно - або плоскополяризованим (рис. 5, б). При виконанні умов

і , де , еліпс (13) перетворюється в коло, і світло називають циркулярно поляризованим або поляризованим по колу (рис. 5, в).

Поняття «поляризація» відноситься до поведінки світлової хвилі в одній точці поля, і в загальному випадку стан поляризації може бути неоднаковим в різних точках поля.

Для виділення лінійно поляризованого світла використовують оптичні пристрої, звані поляризаторами. Дія будь-якого поляризатора полягає в тому, що він розділяє пучки світла на два ортогонально поляризованих пучок, пропускає один з них і поглинає або відхиляє інший. Поляризатори, що застосовуються для аналізу стану поляризації світла, називають аналізаторами. При послідовному проходженні природного світла через поляризатор П і аналізатор А інтенсивності

і , що входить в поляризатор, і що виходить з аналізатора пучка, пов'язані законом Малюса:

,

де

– кут між напрямками поляризації пучків, що пропускаються поляризатором і аналізатором відповідно.

Закон Малюса виходить з того, що поляризатор і аналізатор пропускають тільки проекцію коливання на свою площину поляризації. Для зміни стану поляризації застосовують фазовій пластини, дія яких основана на розділенні поляризованих пучок світла на два взаємно ортогонально лінійно поляризованих пучки, що введені різниці фаз між цими пучками і повторному з'єднанні їх в єдині пучок. У залежності від введеної різниці фаз

, і фазову пластину називають чвертьхвильовою, напівхвильовою і хвильовою. Широке застосування отримали чвертьхвильові пластини (пластини ), що дозволяють трансформувати лінійну поляризацію в кругову і навпаки.

3. Поширення світла в ізотропному середовищі. Відображення і заломлення на межі двох середовищ

Монохроматичні хвилі розповсюджуються в оптичному середовищі з фазовою швидкістю

, яка пов'язана з параметрами середовища , , і швидкістю світла у вакуумі ( ) такою формулою:

. (14)

Величину

, що дорівнює відношенню , називають показником заломлення середовища, причому оптичні середовища в більшості випадків немагнітні, і можна вважати, що . Якщо показник заломлення середовища не залежить від напряму поширення світлової хвилі, то середовище називають ізотропним. При поширенні електромагнітної хвилі в різних середовищах її частота залишається незмінною і тому довжина світлової хвилі в середовищі і довжина хвилі у вакуумі , пов'язані між собою співвідношенням .

Залежність показника заломлення від довжини хвилі

називають дисперсією речовини. Розрізнюють нормальну і аномальну дисперсії. Більшість оптичних матеріалів, включаючи оптичне скло, у видимому діапазоні мають нормальну дисперсію.

Поняття фазової швидкості дозволяє правильно зрозуміти поширення монохроматичної хвилі в ізотропному середовищі. Однак на практиці оптичне випромінювання розповсюджується у вигляді імпульсів, які за допомогою перетворення Фур’є можна представити у вигляді кінцевої або нескінченної сукупності монохроматичних хвиль. Важливим окремим випадком є квазімонохроматичні хвилі, для яких відносна ширина спектра значно менше одиниці

.

У реальних експериментах зручно реєструвати максимум інтенсивності імпульсу випромінювання (хвильового пакета). Швидкість переміщення цього максимуму енергії в групі хвиль, що досліджується, називають груповою швидкістю

. Оскільки фазові швидкості монохроматичних хвиль, що складають хвильовий пакет, в диспергуючому середовищі різні, то реальний імпульс при його поширенні деформується. Групова і фазова швидкості пов'язані між собою формулою Релея: