Поляризация света
Введение
Изученные нами явления дисперсии, интерференции и дифракции окончательно убедили нас в том, что свет имеет волновую природу и его поведение хорошо объясняется с точки зрения волновой теории. Однако не стоит забывать, что волны бывают двух типов – продольные и поперечные. Вопрос заключается в следующем: если свет – это волна, то к какому типу волн относятся световые?
Начнем с исторической точки зрения вопроса. Основатели волновой теории, Френель и Юнг, считали свет продольными волнами, подобными звуковым волнам. На тот момент считалось, что свет распространяется не в пустоте, а в некой среде, которая заполняет все окружающее нас пространство, и эту среду называли эфиром. Поперечные волны в такой среде существовать не могли потому, что на тот момент было распространено мнение о том, что такие волны могут существовать только в твердых телах.
Со временем накапливалось все больше экспериментальных фактов, которые нельзя было объяснить с точки зрения того, что свет – это продольные волны.
Опыт с механическими волнами
Обратимся к опыту с простыми механическими волнами. Представим себе такой эксперимент: имеется канат, один конец которого закреплен, а второй находится в руке экспериментатора, движением руки по канату запускаются волны. Мы знаем, что такой тип волн называется поперечными, поскольку скорость отдельных точек каната направлена перпендикулярно направлению распространения волны. При этом мы видим, что отдельные гребни волн могут быть ориентированы произвольным образом по отношению друг к другу. Разместим по две стороны от каната дощечки (Рис. 1).
Рис. 1. Опыт с механическими волнами
Благодаря дощечкам из всех возможных направлений колебаний остаются те, что параллельны плоскостям дощечек. Если на пути волны поставить вторую такую же систему дощечек, то, в зависимости от ориентации этой второй системы, на выходе мы можем получать различные ориентации гребней.
При этом обратите внимание, что амплитуда прошедших сквозь вторые дощечки гребней совпадает с амплитудой гребней до вторых дощечек только в случае взаимно параллельной ориентации первой и второй пары. В остальных случаях она всегда меньше. А в случаях взаимно перпендикулярной ориентации на выходе вообще не будет никаких волн.
Поляризация. Виды поляризации
Введем несколько новых понятий. Поляризация волны – распределение направлений колебаний в поперечной волне. Мы рассмотрим лишь два вида поляризации волны.
Если колебания распределены так, как было показано в опыте до пересечения каната с первой парой дощечек (когда каждый последующий гребень ориентирован произвольно по отношению к предыдущему), то такую поляризацию будем называть круговой.
Если колебания распределены так, как было в опыте после пересечения с первой парой дощечек, то такая поляризация называется линейной. Понятно, что явление поляризации присуще только поперечным волнам, поэтому если мы докажем, что свет каким-то образом проявляет свойство поляризации, то тем самым мы докажем, что световая волна является поперечной.
В случае световых волн доказать, что им присуще свойство поляризации, намного сложнее. Во-первых, потому что мы не знаем, что использовать в роли дощечек в случае со световыми волнами, а во-вторых, мы не знаем, как наблюдать колебания в световых волнах. Однако обе проблемы решаемы.
Доказательство продольного характера световых волн
Начнем с проблемы наблюдения за колебаниями. Оказывается, нам этого и не нужно делать – вспомните опыт с канатом: мы меняем взаимную ориентацию двух систем дощечек и в итоге получаем волны, амплитуда которых меняется от начального значения до 0. Это значит, что если мы найдем какой-либо аналог дощечек, то нам будет достаточно пропустить свет сквозь две такие системы, затем эти системы вращать относительно друг друга и проверить, меняется ли на выходе амплитуда прошедшей волны.
Тогда возникает еще один вопрос: как же проверить, изменилась ли амплитуда волны. Все очень просто: амплитуда световой волны тем выше, чем ярче свет, поэтому нам достаточно измерить яркость. Оказывается, что системы, способные выделять в световых волнах колебания одного направления, давно известны. Это кристаллы, но не любые, а лишь одноосные кристаллы, обладающие определенным специфическим внутренним строением (например, турмалин и исландский шпат).
Теперь мы можем проделать опыт, который докажет нам поперечную природу световых волн. На пути светового пучка, падающего на некоторый экран, расположим две пластины, изготовленные из турмалина (Рис. 2).
Рис. 2. Опыт, доказывающий поперечную природу световых волн
Первую будем называть поляризатор, а вторую – анализатор. Одну из пластин начинаем вращать перпендикулярно направлению пучка и наблюдать за изменением яркости светового пучка на экране.
Видно, что его яркость меняется от некоторой максимальной до практически нулевой. Что и требовалось доказать.
Мы намеренно не уточняли, что из себя представлял пучок, испущенный в опыте, однако это имеет огромное значение.
Представьте себе, что мы используем только одну пластинку из турмалина, и эту пластинку мы будем вращать вдоль оси светового пучка. Если падающий свет имеет круговую поляризацию, то мы не заметим никаких эффектов, а вот если он поляризован линейно, то мы снова сможем наблюдать изменения яркости пятна.
Классификация поляризации
Тогда уточним, зачем мы используем именно две пластины. Первая выделяет из падающей волны колебания одного направления, то есть формирует на выходе свет с линейной поляризацией. Вторая же служит для определения направления колебаний в этой световой волне.
По типу поляризации испускаемого света мы можем таким образом классифицировать различные источники, например, самый известный источник света – Солнце, оно испускает свет с круговой поляризацией, такой свет мы будем называть естественным, или неполяризованным. Такие источники, как экраны наших ноутбуков или мобильных телефонов, излучают свет с линейной поляризацией. Такой свет мы будем называть линейно поляризованным, или просто поляризованным.
Прикладное значение поляризации
Применение поляризации в исследованиях
Было обнаружено, что при прохождении линейно поляризованного света через некоторые кристаллы и растворы плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол. Например, пусть свет проходит через поляризатор, а затем через сахарный раствор, поляроид-анализатор за кюветой с раствором не целиком гасит свет, когда его ось образует с осью поляризатора угол 90 градусов. Однако если поляризатор повернуть на некоторый угол, то он перестает пропускать свет. Это свидетельствует о том, что вещество в кювете поворачивает направление поляризации света на некоторый угол. Такие вещества называют оптически активными. Оптическая активность обусловлена асимметрией молекул, которые могут иметь форму спиралей, как, например, молекулы белков. Вещества, поворачивающие направление поляризации вправо, называют правовращающими, влево – левовращающими. Обычный сахар принадлежит к числу правовращающих веществ. Большинство аминокислот и белков – левовращающие.
Стекло и пластмасса приобретают оптическую активность в деформированном состоянии. Вращение плоскости поляризации максимально в местах с большим напряжением.
Модели деталей машин, выполненные из прозрачной пластмассы и помещенные между скрещенными поляроидами, можно использовать для визуального наблюдения точек наибольшего напряжения.
На сегодняшний день материалы, подобные турмалину, изготавливают искусственно, в массовом порядке, поскольку эти материалы находят широкое применение в самых различных областях. Одно из самых популярных применений такого материала – это кинематограф, где поляризация используется для разделения лучей, предназначенных левому и правому глазу зрителя.
Поляризованный свет часто используется для гашения света, зеркально отраженного от гладких диэлектрических поверхностей. Например, на этом принципе устроены полароидные солнечные очки.
Двоякопреломляющие среды
В большинстве прозрачных сред скорость света одинакова по всем направлениям. Такие среды называют изотропными. Однако в некоторых кристаллах и растворах скорость света в различных направлениях различна, такие среды называют анизотропными. О таких средах говорят как о двояколучепреломляющих, поскольку в них наблюдается совершенно необычное явление.
В двоякопреломляющих кристаллах, таких как кальцид, существует выделенное направление, называемое оптической осью кристалла; важно сказать, что речь идет не об отдельной линии, а о направлении в кристалле. Если обычный свет входит в кристалл вдоль оптической оси, то ничего аномального при этом не происходит. Но если неполяризованный свет падает под некоторым углом к оптической оси, то в кристалле возникают два преломленных луча.
Луч падает по нормали к поверхности, и оптическая ось находится в плоскости рисунка. Один луч, называемый обыкновенным, обозначен он буквой 
, проходит обычным образом, другой луч, 
– необыкновенный, и преломляется он, отклоняясь на некоторый угол (Рис. 3).
Рис. 3. Падение луча
Нетрудно заметить, что закон преломления для луча 
не выполняется, однако он справедлив для луча .
Объяснение данного явление кроется в том, что скорость световых вол зависит от ориентации направления поляризации световой волны относительно осей кристалла. Поэтому если волна падает под углом к оси, то она делится на две части, одна из которых распространяется как и в любой нормальной среде, а вторая из-за отличия скорости отклоняется от первоначального направления.
Когда естественный, неполяризованный свет падает на поверхность водоема, часть его зеркально отражается и поляризуется (Рис. 4).
Рис. 4. Устройство полароидных очков
При отражении естественный свет становится линейно поляризованным. Этот отраженный свет мешает видеть предметы, расположенные под водой.
Если смотреть на воду соответствующим образом через ориентированный поляризатор, то большая часть зеркально отраженного света будет поглощаться и видимость подводных объектов значительно улучшится (Рис. 5).
Рис. 5. Вид на воду с поляризатором/без
Благодаря поляризации мы можем наблюдать еще одно явление, которое, на первый взгляд, противоречит тому, что мы учили раньше в оптике. Это явление называется двойное лучепреломление.