Поляризация света. Тема 3

1.

Сегодня: вторник, 17 июня 2025 г.
МОДУЛЬ 2. Тема 3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА
3.1. Естественный и поляризованный свет
3.2. Закон Малюса
3.3.Поляризация при отражении и
преломлении. Закон Брюстера
3.4. Двойное преломление света
3.5. Искусственная анизотропия СРС
3.6. Вращение плоскости поляризации
1

2.

3.1. Естественный и поляризованный свет
Основным свойством электромагнитных волн
является поперечность колебаний векторов
напряжённости электрического и магнитного
полей
Продольная
волна
всегда
симметрична
2
относительно направления распространения.

3. Поляризация волн

• Поляриза́ция волн — характеристика поперечных волн,
описывающая поведение вектора колеблющейся величины в
плоскости, перпендикулярной направлению распространения
волны.
• 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.

4.

Естественный
свет
неполяризованный:
–
Свет с преимущественным
направлением колебаний вектора E
называют частично
поляризованным светом:
Линейная поляризация:
Электромагнитная волна в этом
случае называется полностью
поляризованной.
4

5.

Образование поляризованного света
Рассмотрим 2 взаимно перпендикулярных колебания,
отличающихся по фазе на α:
Ex A1 cos t
E y A2 cos t
Результат сложения:
1) α = 0 или π –
плоскополяризованный свет;
2) А1 = А2 и
- свет, поляризованный по кругу;
2
3) произвольные А и α – эллиптически поляризованный свет.
5

6.

Линейно поляризованная электромагнитная волна и
волна круговой поляризации.
6

7.

Пространственная структура эллиптически
-поляризованных вол:
Винтовая линия, геометрическое место концов вектора E
Шаг винта равен длине волны .
Винтовая линия, не деформируясь, перемещается со
7
скоростью света в направлении распространения волны

8.

8

9.

Линейно поляризованный свет:
Устройства, позволяющие получать линейно поляризованный
свет из естественного, называют линейными поляризаторами:
- свободно пропускают колебания, параллельные плоскости
поляризатора,
- полностью или частично задерживают колебания
перпендикулярные к его плоскости.
После прохождения
поляризатора свет
будет линейно
поляризован в
направлении ОО’.
9

10.

Линейные поляризаторы:
• оптически анизотропные
кристаллы (турмалин), вырезанные
параллельно его оптической оси;
• поляроиды – целлулоидные плёнки,
в которые введено большое
количество одинаково
ориентированных с помощью
растяжения или сдвиговой
деформации кристалликов.
• оптические стопы изотропных
пластинок, прозрачных в нужной
области спектра.
10

11.

11

12.

Полихромные кристаллы турмалина
12

13.

13

14.

Пример использования поляризационного фильтра в
фотографии
Возможность изменения яркости и контраста
различных частей изображения:
• получение тёмного, густо-синего неба в солнечный день;
• избавление от отражения фотографа в стекле при съёмке
находящихся за стеклом объектов.
14

15.

15

16.

В
реальных
средах
возможно
превращение
неполяризованных волн в полностью поляризованные и наоборот.
Способы поляризации:
• Поляризация электромагнитной волны
отражении и преломлении.
при
•Поляризация при распространении электромагнитных волн в оптически анизотропных средах.
Ассиметрию поперечных световых лучей можно изучать
пропуская свет через анизотропные кристаллы.
Устройства позволяющие получать линейно поляризованный
свет, называют поляризаторами.
Для анализа поляризации света, используют
анализаторы.
16
Главная плоскость поляризатора (анализатора).

17.

После прохождения поляризатора свет будет
линейно поляризован в направлении OO'
Интенсивность света, при этом, уменьшится на половину.
Если на пути луча поставить второй кристалл –
анализатор A, то интенсивность света будет
изменяться в зависимости от того, как
ориентированны друг относительно друга 17обе
пластины.

18.

Основные выводы
• световые волны поперечны, однако в
естественном свете нет преимущественного
направления колебаний;
• кристалл поляризатора
пропускает лишь те
волны, вектор E которых имеет составляющую
параллельную оси кристалла.
• для анализа света используется кристалл
анализатора, который, пропускает свет, когда его
ось параллельна оси поляризатора.
18

19.

3.2. Закон Малюса
В 1809 г. французский инженер Э. Малюс
В поперечной волне направление колебаний и
перпендикулярное
ему
направление
не
равноправны:
поворот щели S вызовет затухание волны
19

20.

С помощью разложения вектора E
на составляющие по осям можно объяснить закон
Малюса
20

21.

Световую волну с амплитудой E0 разложим на две
составляющие.
E x E0 cos φ
E y E0 sin φ
E x – пройдет через поляризатор, а E y – не пройдет.
2
Т.к I ~E , то
Закон Малюса
2
2
I ~E0 cos
и
2
I 0 ~E0
I I 0 cos2
В естественном свете все значения φ
2
равновероятны и среднее значение cos φ 1 / 2
Интенсивность
естественного
света,
уменьшается в два раза.
21

22.

I
I ест
1
IJ00 JIест
2
1
2
I I 0 cos I ест cos
2
2
22

23.

Рис. Прохождение естественного света через два
идеальных поляроида. yy' – разрешенные направления
поляроидов
23

24.

После первого поляризатора
1
I 0 I ест
2
Второй поляризатор пропустит свет
1
2
I I 0 cos I ест cos 2
2
1
I Imax I ест
2
при φ = 0.
, т.е. скрещенные поляризаторы
При φ = π/2, I 0
свет не пропускают
Таким образом, закон Малюса объясняется на
основе разложения вектора Е на составляющие.
24

25.

Прохождение линейно поляризованного света He-Ne лазера через
вращающийся поляроид:
• Когда направление выделенной оси поляроида совпадает с
направлением поляризации падающего света, на экране за поляроидом
видно пятно с максимальной интенсивностью.
• Когда эти направления перпендикулярны, свет полностью
поглощается поляроидом, и световое пятно на экране отсутствует.
25

26.

3.3. Поляризация при отражении и
преломлении. Закон Брюстера
26

27.

В этом и следующем параграфах мы
рассмотрим
способы
получения
линейно
поляризованного
света,
используемые
при
изготовлении поляризаторов и анализаторов.
Свет поляризуется при отражении от
границы двух сред и при прохождении границы –
при преломлении.
В отраженном луче преобладают колебания,
перпендикулярные плоскости падения, а в
преломленном луче – колебания параллельные
плоскости падения
27

28.

В отраженном луче преобладают колебания,
перпендикулярные плоскости падения, а
в преломленном луче – колебания параллельные
плоскости падения.
28
Степень поляризации зависит от угла падения:

29.

Степень поляризации зависит от угла падения:
Если луч падает на границу двух сред под углом α,
n2
удовлетворяющему условию tg α
n21 ,
n1
то отраженный луч оказывается полностью
поляризованным.
Преломленный луч – поляризован частично.
29
Угол α – называется углом Брюстера .

30.

Формулы Френеля
При падении естественного света на границу раздела двух
диэлектриков:
для отраженного луча:
для преломленного луча:
2
1 sin 1 2
I1 I 0
2
2
sin
1 2
2
tg
1 2
1
I I
1 2 0 tg 2
1
2
2
1 sin 1 2
I 2 I 0 1 2
2
sin
1 2
2
1 tg 1 2
I 2 2 I 0 1 tg 2
1
2
Степень поляризации можно записать как
P
I I
I I
30

31.

3.4. Двойное преломление света
В 1669 г. датский ученый Эразм Бартолин
опубликовал работу, в которой сообщил об открытии
нового физического явления – двойного преломления
света.
В кристалле исландского шпата CaCO 3 Бартолин
обнаружил, что луч внутри кристалла расщепляется
на два луча :
31

32.

Объяснение этого явления дал современник
Бартолина голландский ученый Христиан Гюйгенс.
Расщепление луча света, проходящего через
исландский шпат, связано с анизотропией
кристалла.
У анизотропных кристаллов имеется
оптическая ось.
Плоскость, проходящая через оптическую
ось, называется главным сечением кристалла
Одноосные кристаллы (исландский шпат,
турмалин)
Кристаллы двухосные (гипс, слюда).
32

33.

sin α n2
Закон преломления Снеллиуса:
sin β n1
Подчиняется луч обыкновенный о
Не подчиняется – необыкновенный луч е.
33

34.

Явление двойного лучепреломления используется
для получения поляризованного света:
Рисунок 10.8
34

35.

Дихроизм – один из лучей поглощается
сильнее другого
В кристалле турмалина,
обыкновенный луч практически полностью
поглощается на длине 1 мм, а необыкновенный луч
выходит из кристалла. В кристалле сульфата
йодистого хинина один из лучей поглощается на
длине 0,1 мм.
Это явление используется для создания
поляроидов. На выходе поляроида получается один
поляризованный луч.
35

36.

В качестве поляроида используется призма
Николя (николь). Это призма из исландского
шпата, разрезанная по диагонали и склеенная
канадским бальзамом
Рисунок 10.9
Показатель преломления канадского бальзама
no n ne
36

37.

Двойное
лучепреломление
объясняется
анизотропией
кристалла.
Диэлектрическая
проницаемость ε – зависит от направления. В
одноосных
кристаллах
диэлектрическая
проницаемость в направлении оптической оси ε x
и в направлениях перпендикулярных к ней ε y ,
имеет разные значения.
37

38.

n ε
с
no
υo
с
ne
υe
38

39.

Поскольку n εμ , а в диэлектриках μ = 1, то
n ε
Скорость распространения обыкновенного луча
c
c
, а необыкновенного υe
υo
εx
εy
Показатель преломления обыкновенного луча
и показатель преломления
с
необыкновенного луча n e
υe
с
no
υo
39

40.

40

41.

41

42.

42

43.

• Скорости
распространения
обыкновенного
и
необыкновенного лучей в оптически анизотропной среде
различны, а следовательно, различны и показатели
преломления среды для этих лучей.
• Кристаллы, в которых скорость (vо)
распространения
обыкновенного луча больше скорости (ve) распространения
необыкновенного луча, называются положительными.
Если же в кристалле vо < ve, то такой кристалл называется
отрицательным.

44.

3.5. Искусственная анизотропия СРС
Двойное лучепреломление можно наблюдать в
изотропных средах (аморфных телах), если
подвергнуть их механическим нагрузкам.
Явление, открытое в 1818 г. Брюстером, получило
название фотоупругости или пьезооптического
эффекта.
dF
Обозначим напряжение σ
dS
От этого напряжения будет зависеть разность
показателей преломления: n n kσ
o
e
44

45.

Поместим стеклянную пластинку Q между двумя
поляризаторами Р и А :
В отсутствие механической деформации свет
через них проходить не будет.
Если же стекло подвергнуть деформации, то
свет может пройти, причем картина на экране
получится цветная.
По распределению цветных полос можно судить
45
о распределении напряжений в стеклянной пластинке.

46.

Помещая прозрачные фотоупругие модели
между поляризатором и анализатором и подвергая
их различным нагрузкам, можно изучать
распределения
возникающих
внутренних
напряжений.
46

47.

Явление искусственной анизотропии может
возникать в изотропных средах под воздействием
электрического поля (эффект Керра).
Ячейка Керра:
Свет, прошедший через кювету, поворачивает плоскость
поляризации, и система становится прозрачной.
Ячейка Керра может служить затвором света,
который управляется потенциалом одного из
47
электродов конденсатора, помещенного в ячейку.

48.

На основе ячеек Керра построены практически
безинерционные затворы и модуляторы света с
временем срабатывания до 10 12 с.
Величина двойного лучепреломления прямо
пропорциональна
квадрату
напряжённости
электрического поля:
Δn nkE
2 (закон Керра).
Здесь n показатель преломления вещества в
отсутствии поля,
Δn ne no ,где ne и no показатели преломления
для необыкновенной и обыкновенной волн,
k постоянная Керра.
48

49.

3.6. Вращение плоскости поляризации -СРС
ознакомиться с решением задачи 4.218(5.205)
Оптически активные вещества –
среды, которые при прохождении через них плоскополяризованного света
способны вращать его плоскость поляризации.
Выделяют 2 типа оптически активных веществ:
1. оптически активные в любом агрегатном состоянии (сахара, камфора,
винная кислота): оптическая активность обусловлена асимметричным
строением их молекул,
2. оптически активны только в кристаллической фазе (кварц, киноварь);
оптическая активность обусловлена специфической ориентацией молекул
(ионов) в элементарных ячейках кристалла.
Оптически активные вещества существуют в 2 формах:
(в зависимости от направления вращения плоскости поляризации) - правой и
левой; при этом молекула или кристалл правой формы зеркальносимметричны молекуле или кристаллу левой формы.
Направление вращения:
«+» - вправо относительно наблюдателя, к которому свет приближается;
49
«-» - влево относительно данного наблюдателя.

50.

В кристаллах:
(сильнее всего вращают плоскость поляризации, если луч
распространяется вдоль оптической оси).
l
φ – угол поворота;
l – расстояние, пройденное лучом в кристалле;
α – постоянная вращения (зависит от длины волны).

51.

51

52.

• Растворы оптически активных веществ (например, сахара) в
неактивных растворителях (например, в воде) также оптически
активны, причем угол поворота плоскости поляризации света слоем
такого раствора зависит от концентрации оптически активного
вещества. Эта зависимость описывается формулой
0 c
• где с – концентрация оптически активного вещества в растворе, а [α0] коэффициент
пропорциональности,
который
называется
удельным
вращением. Удельное вращение раствора оптически активного вещества
зависит от длины волны, температуры раствора и свойств растворителя.
• Зависимость величины [α0] от длины волны описывается законом Био
[α0] ~1/λ2

53.

• Зависимость угла поворота плоскости поляризации
света раствором оптически активного вещества от
концентрации этого вещества лежит в основе
метода определения концентрации оптически
активных
веществ
в
растворах,
который
называется
поляриметрией,
или
сахараметрией.
Используемые
при
этом
измерительные
устройства
называются
поляриметрами, или сахариметрами.

54.

Метод определения оптического
вращения (поляриметрия)
Для определения данного показателя
используется прибор поляриметр.
Поляриметр (полярископ, — только
для наблюдения) — прибор,
предназначенный для измерения угла
вращения плоскости поляризации,
вызванной оптической активностью
прозрачных сред, растворов и
жидкостей. В нашем случае это
эфирные масла. При определении
оптического вращения необходимо
соблюдать температурный режим
исследуемого вещества, 20°С и
хорошо освещенное помещение.
Применяется метод для изучения структуры и
свойств вещества. С помощью поляриметра с успехом
проводятся исследования любых однородных
54
прозрачных растворов (масел).

55.

• Цифровые
поляриметры
серии P8000 –
новое слово в
сфере оптических
измерительных
приборов. Эти
инновационные
приборы
позволяют
уменьшить время
измерения до
одной секунды, не
зависимо от угла
вращения образца
55

56.

• Глюкометры нового поколения
Источник:
https://www.tiensmed.ru/news/glukometry_novogo_pokolenija.html#nov
2
Рамановские бесконтактные. Это
бесконтактные неинвазивные приборы
использующие принцип спектрометрии. В
устройство встроен слабенький лазер,
который сканирует кожу на ладони. Под
действием лазера в теле происходят особые
биохимические процессы, которые
считываются прибором. Приборы данного
типа созданы в Массачусетском институте и
пока еще только находятся в разработке.
Рамановскими они называются потому, что в
основе их работы лежит принцип
рамановской спектроскопии.
56

57.

Суть метода заключается в том, что через образец исследуемого вещества
пропускают луч с определенной длиной волны, который при контакте с
образцом рассеивается. Полученные лучи с помощью линзы собираются в один
пучок и пропускаются через светофильтр, отделяющий слабые (0,001 %
интенсивности) рамановские лучи от более интенсивных (99,999 %)
рэлеевских. «Чистые» рамановские лучи усиливаются и направляются на
детектор, который фиксирует их частоту.
Рэлеевское рассеяние в
опалесцирующем стекле: оно
выглядит синим со стороны, но
оранжевым на просвет.
• Атомно-силовой микроскоп
со спектрометром,
позволяющие изучать
комбинационное рассеяние

58.

Применение плоскополяризованных волн
Две плоскополяризованные волны,
падающие на подложку с образцом:
•одна волна, отражённая от подложки,
остается линейно поляризованной.
•вторая меняет поляризацию на круговую.
Эллипсометрия - изучение поверхностей жидких и твёрдых тел тел по
состоянию поляризации светового пучка, отражённого этой
поверхностью и преломлённого на ней:
- бесконтактные исследования поверхности жидкости или твёрдых
веществ, процессов адсорбции, коррозии…
- исследования атомного состава неоднородных и анизотропных
поверхностей и плёнок
• переход к эллиптической поляризации при отражении и преломлении
происходит вследствие наличия тонкого переходного слоя на границе
раздела сред.
58
• Источник света – лазер.

59.

Микроскопия с использованием принципов эллипсометрии
Излучение лазера (выделено красным) проходит через поляризатор
(отмечено зелёным) и через двулучепреломляющую пластинку (отмечено
синим), которая из волны линейной поляризации формирует
эллиптически поляризованную волну.
При отражении от образца свет становится линейно поляризованным.
Объектив собирает свет, отражённый от образца и через анализатор
(отмечено зелёным) подаёт этот свет на фотоприёмную матрицу.
Анализатор сориентирован так, что задерживает свет линейной
поляризации, отражённый от образца, и пропускает значительную
часть света эллиптической поляризации, отражённого от подложки.
В результате образец становится видимым на фоне подложки в виде
тёмного пятна.
Изменяя взаимную ориентацию поляризатора, анализатора и
двулучепреломляющей пластинки, можно получать позитивное и
негативное изображение исследуемого объекта.
59

60.

60