ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Физ. характеристика оптич. излучения, описывающая поперечную анизотропию световых волн, т. е. неэквивалентность разл. направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу. Первые указания на поперечную анизотропию светового луча были получены голл. учёным X. Гюйгенсом в 1690 при опытах с кристаллами исл. шпата. Понятие «П. с.» было введено в оптику англ. учёным И. Ньютоном в 1704—06. Существ. значение для понимания П. с. имело её проявление в эффектах интерференции света и, в частности, тот факт, что два световых луча с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации непосредственно не интерферируют. П. с. нашла естеств. объяснение в эл.-магн. теории света англ. физика Дж. К. Максвелла (1865—73).

Поперечность эл.-магн. волн лишает волну осевой симметрии относительно направления распространения из-за наличия выделенных направлений (вектора Е — напряжённости электрич. поля и вектора Н — напряжённости магн. поля) в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Поскольку векторы Е и Н эл.-магн. волны перпендикулярны друг другу, для полного описания состояния поляризации светового пучка требуется знание поведения лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирается вектор Е (см. ПЛОСКОСТЬ ПОЛЯРИЗАЦИИ).

Свет, испускаемый к.-л. отдельно взятым элементарным излучателем (атомом, молекулой), в каждом акте излучения всегда поляризован. Но макроскопич. источники света состоят из огромного числа таких частиц-излучателей; пространств. ориентации векторов Е и моменты актов испускания света отд. ч-цами в большинстве случаев распределены хаотически. Поэтому в общем излучении направление Е в каждый момент времени непредсказуемо. Подобное излучение наз. н е п о л я р и з о в а н н ы м, или естественным светом.

Свет наз. п о л н о с т ь ю п о л я р и з о в а н н ы м, если две взаимно перпендикулярные компоненты (проекции) вектора Е светового пучка совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз. Обычно состояние П. с. изображается с помощью эллипса поляризации — проекции траектории конца вектора Е на плоскость, перпендикулярную лучу(рис.).

Примеры разл. поляризаций светового луча при разл. разностях фаз между взаимно перпендикулярными компонентами Ех и Еу, Плоскость рисунков перпендикулярна направлению распространения света. а и д — линейные поляризации; в — круговая поляризация; б, г и е — эллиптич. поляризации. Рисунки соответствуют положит. разностям фаз 6 (опережению вертик. колебаний по сравнению с горизонтальными). l — длина волны света.

Проекционная картина полностью поляризованного света в общем случае имеет вид эллипса с правым или левым направлением вращения вектора Е во времени (рис., б, г, е). Такой свет наз. э л л и п т и ч е с к и п о л я р и з о в а н н ы м. Наибольший интерес представляют предельные случаи эллиптич. поляризации — л и н е й н а я, когда эллипс поляризации вырождается в отрезок прямой линии (рис., а, д), определяющий положение плоскости поляризации, и циркулярная (или круговая), когда эллипс поляризации представляет собой окружность (рис., в). В первом случае свет называется п л о с к о- или линейно п о л я р и з о в а н н ы м, а во втором — п р а в о- или л е в о-ц и р к у л я р н о п о л я р и з о в а н н ы м в зависимости от направления вращения вектора Е. Если фазовое соотношение между компонентами вектора Е изменяется за времена существенно меньшие времени измерения состояния поляризации, то свет проявляется как не полностью поляризованный. Состояние поляризации ч а с т и ч н о п о л я р и з о в а н н о г о с в е т а описывается параметром степени п о л я р и з а ц и и, отражающим степень преимуществ. фазового сдвига (фазовой корреляции) между компонентами вектора Е световой волны. Если этот фазовый сдвиг равен нулю, то свет обнаруживает преимуществ. плоскость колебаний вектора Е и наз. частично л и н е й н о п о л я р и з о в а н в ы м, если же этот фазовый сдвиг равен p/2, то свет обнаруживает преимуществ. направление вращения вектора Е и наз. ч а с т и ч н о ц и р к у л я р н о п о л я р и з о в а н н ы м. Естеств. свет не обнаруживает фазовой корреляции между компонентами вектора Е, разность фаз между ними непрерывно хаотически меняется. Параметр степени поляризации света, определяемый как отношение разности интенсивностей двух выделенных ортогональных поляризаций к их сумме, может меняться в диапазоне от 0 до 100%. Следует отметить, что свет, проявляющийся в одних случаях как неполяризованный, в других может оказаться полностью поляризованным с меняющимся во времени, по сечению пучка или по спектру состоянием поляризации.

В квантовой оптике, где эл.-магн. излучение рассматривается как поток фотонов, с П. с. связывают одинаковое спиновое состояние всех фотонов, образующих световой пучок. Так, фотоны с круговой поляризацией (правой или левой) обладают моментом, равным ±ћ. Эллиптически-поляризованвый свет описывается соответствующей суперпозицией этих состояний.

Особенности элементарного акта излучения, а также множество физ. процессов, нарушающих осевую симметрию светового пучка, приводят к тому, что свет всегда частично поляризован. Поляризованный свет может возникать при отражении света и преломлении света на границе раздела двух сред в результате различия оптич. хар-к границы для компонент, поляризованных параллельно и перпендикулярно плоскости падения (см. БРЮСТЕРА ЗАКОН). Свет может поляризоваться при прохождении через анизотропную среду (с естеств. или индуцир. оптической анизотропией) либо в результате различия коэфф. поглощения для разл. поляризаций (см. ДИХРОИЗМ)), либо вследствие двойного лучепреломления. П. с. возникает при рассеянии света, при оптич. возбуждении резонансного излучения в парах, жидкостях и тв. телах (см. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ). Обычно полностью поляризовано излучение лазеров. В сильных магн. и электрич. полях наблюдается полная поляризация компонент расщепления спектр. линий поглощения и люминесценции газообразных и конденсированных систем (см. МАГНИТООПТИКА, ЭЛЕКТРООПТИКА).

Нек-рые из этих эффектов лежат в основе простейших поляризационных приборов — поляризаторов, фазовых пластинок, анализаторов, компенсаторов оптических и др., с помощью к-рых осуществляется создание, преобразование и анализ состояния П. с. В наст. время разработаны эффективные методы расчёта изменения состояния П. с. при прохождении света через оптически анизотропные элементы. Изменение поляризац. состояния светового пучка вследствие прохождения через двупреломляющую среду используется для изучения оптич. анизотропии кристаллов (см. КРИСТАЛЛООПТИКА). При визуальных исследованиях оптически анизотропных сред широко используется эффект х р о м а т и ч е с к о й п о л я р и з а ц и и — окрашивание поляризованного пучка белого света после прохождения через анизотропный кристалл и анализатор. В хроматич. поляризации в наиболее эфф. форме проявляется интерференция поляризованных лучей.

Явление П. с. и особенности вз-ствия поляризованного света с в-вом нашли исключительно широкое применение в науч. исследованиях кристаллохим. и магн. структуры тв. тел, оптич. св-в кристаллов, природы состояний, ответственных за оптич. переходы, структуры биол. объектов, хар-ра поведения газообразных, жидких и тв. тел в полях анизотропных возмущений (электрич., магн., световом и пр.), а также для получения информации о труднодоступных объектах (в частности, в астрофизике). Поляризованный свет широко используется во мн. областях техники, напр. при необходимости плавной регулировки интенсивности светового пучка (см. МАЛЮСА ЗАКОН) при исследованиях напряжений в прозрачных средах (поляризационно-оптический метод исследования), для увеличения контраста и ликвидации световых бликов в фотографии, при создании светофильтров, модуляторов излучения (см. МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА) и пр.