Поляризация света

Поляризация света, одно из фундаментальных свойств оптического излучения (света), состоящее в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны). П. с. называются также геометрические характеристики, которые отражают особенности этого неравноправия. Впервые понятие о П. с. было введено в оптику И. Ньютоном в 1704—06, хотя явления, обусловленные ею, изучались и ранее (открытие двойного лучепреломления в кристаллах Э. Бартолином в 1669 и его теоретическое рассмотрение Х. Гюйгенсом в 1678—90). Сам термин «П. с.» предложен в 1808 Э. Малюсом. С его именем и с именами Ж. Био, О. Френеля, Д. Араго, Д. Брюстера и др. связано начало широкого исследования эффектов, в основе которых лежит П. с.

  Существенное значение для понимания П. с. имело её проявление в эффекте интерференции света. Именно тот факт, что два световых луча, линейно поляризованных (см. ниже) под прямым углом друг к другу, при простейшей постановке опыта не интерферируют, явился решающим доказательством поперечности световых волн (Френель, Араго, Т. Юнг, 1816—19). П. с. нашла естественное объяснение в электромагнитной теории света Дж. К. Максвелла (1865—73) (см. Оптика).

  Поперечность световых волн (как и любых др. электромагнитных волн) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряжённости электрического поля Е и напряжённости магнитного поля Н перпендикулярны направлению распространения волны. Е и Н выделяют (отсюда указанное выше неравноправие) определённые направления в пространстве, занятом волной. Кроме того, Е и Н почти всегда (об исключениях см.(смотри) ниже) взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния П. с. требуется знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор Е.

  Световой импульс, испускаемый каким-либо отдельно взятым элементарным излучателем (атом, молекула) в единичном акте излучения, всегда поляризован полностью. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа таких частиц-излучателей; пространственная ориентации векторов Е (и моменты актов излучения) световых импульсов отдельных частиц в большинстве случаев распределены хаотически (это не относится, например, к лазерам). Кроме того, поляризация меняется в результате процессов взаимодействия между частицами-излучателями. Поэтому в общем излучении подавляющего большинства источников направление Е не определено (оно непрерывно и беспорядочно меняется за чрезвычайно малые промежутки времени). Подобное излучение называется неполяризованным, или естественным, светом. Е, как и всякий вектор, всегда можно представить в виде суммы его проекций на 2 взаимно перпендикулярных направления (выбираемых в плоскости, поперечной направлению распространения света). В естественном свете разность фаз между такими проекциями непрерывно и хаотически меняется. В полностью поляризованном свете эта разность фаз строго постоянна, т. е. взаимно перпендикулярные компоненты Е когерентны (см. Когерентность). Создав определённые условия на пути распространения естественного света, можно выделить из него поляризованную (полностью или частично) составляющую. Кроме того, полная или частичная (о смысле этого понятия см.(смотри) ниже) П. с. возникает в ряде природных процессов испускания света и его взаимодействия с веществом.

  Полную поляризацию монохроматического света характеризуют проекцией траектории конца вектора Е (рис. 1) в каждой точке луча на плоскость, перпендикулярную лучу. В самом общем случае т. н. эллиптической поляризации такая проекция — эллипс, что легко понять, учитывая постоянство разности фаз между взаимно перпендикулярными компонентами Е и одинаковость частоты их колебаний в монохроматической волне. Для полного описания эллиптической П. с. необходимо знать направление вращения Е по эллипсу (правое или левое), ориентацию осей эллипса и его эксцентриситет (см., например, рис. 2, б, г, е). Наибольший интерес представляют предельные случаи эллиптической П. с. — линейная П. с. (разность фаз 0, kp, где k — целое число, рис. 2, а и д), когда эллипс вырождается в отрезок прямой, и круговая, или циркулярна я, П. с. [разность фаз ±(2k + 1)p/2], при которой эллипс поляризации превращается в окружность. Определяя состояние линейно- или плоскополяризованного света, достаточно указать положение плоскости поляризации света, поляризованного по кругу,— направление вращения (правое — рис. 2, в, или левое). В сложных неоднородных световых волнах (например, в металлах или при полном внутреннем отражении) мгновенные направления векторов Е и Н уже не связаны простым соотношением ортогональности, и для полного описания П. с. в таких волнах требуется знание поведения каждого из этих векторов по отдельности.

  Если фазовое соотношение между компонентами (проекциями) Е меняется за времена, много меньшие времени измерения П. с., нельзя говорить о полной П. с. Однако может случиться, что в составляющих пучок света монохроматических волнах Е меняется не совершенно хаотически, а между взаимно перпендикулярными компонентами Е существует некоторый преимущественный фазовый сдвиг (фазовая корреляция), сохраняющийся в течение достаточно длительного времени. Физически это означает, что в поле световой волны амплитуда проекции Е на одно из взаимно перпендикулярных направлений всегда больше, чем на другое. Степень подобной фазовой корреляции в таком — частично поляризованном — свете описывают параметром р — степенью П. с. Так, если преимущественный фазовый сдвиг равен 0, свет частично линейно поляризован; ± p/2 — частично поляризован по кругу. Частично поляризованный свет можно рассматривать как «смесь» двух крайних видов — полностью поляризованного и естественного. Их соотношение и характеризуют параметром р, который часто (но не всегда) определяют как , где индексы 1 и 2 относятся к интенсивностям I света двух «ортогональных» поляризаций, например линейных во взаимно перпендикулярных плоскостях или соответствующих правой и левой круговым поляризациям; р может меняться от 0 до 100%, отражая все количественные градации состояния П. с. (Следует иметь в виду, что свет, проявляющийся в одних опытах как неполяризованный, в других может оказаться полностью поляризованным — с П. с., меняющейся во времени, по сечению пучка или по спектру.)

  В квантовой оптике электромагнитное излучение рассматривают как поток фотонов (см. Излучение, Квантовая механика, Оптика). Состояния П. с. с квантовой точки зрения определяются тем, каким моментом количества движения обладают фотоны в потоке. Так, фотоны с круговой поляризацией (правой или левой) обладают моментом, равным ± ( — Планка постоянная). Любое состояние П. с. может быть выражено всего через два т. н. базисных состояния. При описании П. с. выбор пары исходных базисных состояний неоднозначен — ими могут служить, например, любые две взаимно-ортогональные линейные П. с., правая и левая круговые П. с. и т.д., причём в каждом случае от одной пары базисных состояний можно по определённым правилам перейти к др. паре.

  Эта неоднозначность имеет в квантовом подходе принципиальный характер, однако «произвол» обычно ограничивают конкретные физические условия: наиболее удобно выбирать за базисную пару такие состояния П. с., которые преобладают в актах испускания фотонов элементарными излучателями либо определяют рассматриваемый процесс взаимодействия света и вещества. (Определение состояния П. с. на опыте осуществляется с помощью такого взаимодействия; по общим правилам квантовой механики подобный эксперимент всегда меняет — иногда пренебрежимо мало, иногда существенно — исходную П. с.) Базисные состояния и состояния, описываемые любой линейной комбинацией базисных (суперпозицией, см.(смотри) Суперпозиции принцип), называются чистыми. Они соответствуют полной П. с., со степенью П. с. 100%. Фотоны могут находиться не только в чистых, но и в т. н. смешанных состояниях, в которых степень их поляризации меньше 100% и может доходить до нуля (естественный свет). Смешанные состояния также выражаются через базисные, но более сложным образом, чем линейная суперпозиция (их называют некогерентной смесью чистых состояний). Взаимодействие света и вещества может в определённых условиях приводить к полному или частичному «выделению» чистых состояний из смешанных (за счёт упомянутого выше изменения П. с. при таком взаимодействии).

  Это явление используется для получения полностью поляризованного света или увеличения степени П. с. во многих поляризационных приборах. Если за базисные состояния П. с. выбраны две круговые (правая и левая) П. с., то при их наложении (когерентной суперпозиции) в равных долях наблюдается линейная П. с.; суперпозиции их в различных др. соотношениях дают эллиптические П. с. со всевозможными характеристиками. Через эти же базисные состояния могут быть выражены любые смешанные состояния. Т. о., тот или иной выбор всего двух базисных состояний даёт возможность описать все состояния П. с.

  Эксперименты подтверждают теоретический вывод о том, что каждый фотон, поляризованный по кругу, обладает моментом количества движения = h/2p (см. Оптическая ориентация, Садовского эффект). Характер поляризации фотонов определяется законом сохранения момента количества движения системы элементарный излучатель — испущенный фотон (при условии, что взаимодействием отдельных излучателей между собой можно пренебречь).

  Кроме особенностей элементарных актов излучения, к частичной (а иногда и полной) П. с. приводит множество физических процессов. К ним относятся, например, отражение света и преломление света, при которых П. с. обусловлена различием оптических характеристик границы раздела двух сред для компонент светового пучка, поляризованных параллельно и перпендикулярно плоскости падения (см. Брюстера закон). Свет может поляризоваться при прохождении через среды, обладающие естественной или вызванной внешними воздействиями (индуцированной) оптической анизотропией (вследствие неодинаковости коэффициентов поглощения света при различных состояниях П. с., например при правой и левой круговых П. с. — т. н. круговой дихроизм, являющийся частным случаем плеохроизма; вследствие различия преломления показателей среды для лучей различных линейных поляризаций — двойного лучепреломления, см.(смотри) также Кристаллооптика). Очень часто полностью поляризовано излучение лазеров; одной из основных (но не единственной!) причин П. с. в лазерах является специфический характер вынужденного излучения, при котором поляризации испускаемого фотона и фотона, вызвавшего акт испускания, абсолютно тождественны; т. о. при лавинообразном умножении числа испускаемых фотонов в лазерном импульсе их поляризации могут быть совершенно одинаковыми. П. с. возникает при резонансном излучении в парах, жидкостях и твёрдых телах. П. с. при рассеянии света столь характерна, что её исследование — один из основных способов изучения как особенностей и условий самого рассеяния, так и свойств рассеивающих центров, в частности их структуры и взаимодействия между собой (см., например, Атмосферная оптика, Комбинационное рассеяние света, Поляризация небесного свода). (При рассеянии поляризованного света происходит и его деполяризация — уменьшение степени П. с.) В определённых условиях сильно поляризовано люминесцентное свечение (см. Люминесценция), особенно при возбуждении его поляризованным светом. П. с. весьма чувствительна к величине напряжённости и ориентации электрических и магнитных полей; в сильных полях компоненты, на которые расщепляются спектральные линии испускания, поглощения и люминесценции газообразных и конденсированных систем, оказываются поляризованными (см. Зеемана эффект. Магнитооптика, Штарка эффект).

  Одним из эффектов интерференции поляризованных лучей света является хроматическая П. с.

  Характерная для всех интерференционных явлений зависимость от длины волны («цвета») излучения приводит при этой «П. с.» (как показывает само название) к окрашиванию интерференционной картины, если исходный поток был белым светом. Обычная схема получения картины хроматической П. с. в параллельных лучах приведена на рис. 3. В зависимости от разности хода обыкновенного и необыкновенного лучей, приобретаемой в двулучепреломляющей пластинке, наблюдатель видит эту пластинку (в свете, выходящем из анализатора) тёмной или светлой в монохроматическом свете либо окрашенной — в белом. Если пластинка неоднородна по толщине или по показателю преломления, её участки, в которых эти параметры одинаковы, видны соответственно одинаково тёмными или светлыми либо одинаково окрашенными. Линии одинаковой цветности называют изохромами. Схема для наблюдения хроматической П. с. в сходящихся лучах показана на рис. 4, а получаемые при этом картины — на рис. 5.

  На многих из перечисленных явлений основаны принципы действия разнообразных поляризационных приборов, с помощью которых не только анализируют состояние П. с., испускаемого внешними источниками, но и получают требуемую П. с. и преобразуют одни её виды в другие.

  Особенности взаимодействия поляризованного света с веществом обусловили его исключительно широкое применение в научных исследованиях кристаллохимической и магнитной структуры твёрдых тел, строения биологических объектов (например, поляризационная микроскопия, см.(смотри) Микроскоп), состояний элементарных излучателей и их отдельных центров, ответственных за квантовые переходы, для получения информации о чрезвычайно удалённых (в частности, астрофизических) объектах. Вообще, П. с. как существенно анизотропное свойство излучения позволяет изучать все виды анизотропии вещества — поведение газообразных, жидких и твёрдых тел в полях анизотропных возмущений (механических, звуковых, электрических, магнитных, световых), в кристаллооптике — структуру кристаллов (в подавляющем большинстве — оптически анизотропных), в технике (например, в машиностроении) — упругие напряжения в конструкциях (см. Поляризационно-оптический метод исследования напряжений) и т.д. Изучение П. с., испускаемого или рассеиваемого плазмой, играет важную роль в диагностике плазмы. Взаимодействие поляризованного света с веществом может приводить к оптической ориентации или т. н. выстраиванию атомов, генерации мощного поляризованного излучения в лазерах и пр. Напротив, исследование деполяризации света при фотолюминесценции даёт сведения о взаимодействии поглощающих и излучающих центров в частицах вещества, при рассеянии света — ценные данные о структуре и свойствах рассеивающих молекул или иных частиц, в др. случаях — о протекании фазовых переходов и т.д. П. с. широко используется в технике, например при необходимости плавной регулировки интенсивности светового пучка (см. Малюса закон), для усиления контраста и устранения световых бликов в фотографии, при создании светофильтров, модуляторов излучения (см. Модуляция света), служащих одними из основных элементов систем оптической локации и оптической связи, для изучения протекания химических реакций, строения молекул, определения концентраций растворов (см. Поляриметрия, Сахариметрия) и мн.(многие) др. П. с. играет заметную роль в живой природе. Многие живые существа способны чувствовать П. с., а некоторые насекомые (пчёлы, муравьи) ориентируются в пространстве по поляризованному (в результате рассеяния в атмосфере) свечению голубого неба. При определённых условиях к П. с. становится чувствительным и человеческий глаз (т. н. явление Хайдингера).

  Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Шерклифф У., Поляризованный свет, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1965; Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер.(перевод) с англ.(английский), 2 изд., М., 1973; Феофилов П. П., Поляризованная люминесценция атомов, молекул и кристаллов, М., 1959; Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б., Квантовая электродинамика, 3 изд., М., 1969.

  В. С. Запасский.

Рис. 2. Примеры различных поляризаций светового луча (траекторий конца электрического вектора Е в какой-либо одной точке луча) при различных разностях фаз между взаимно перпендикулярными компонентами Е_х и Е_у. Плоскость рисунков перпендикулярна направлению распространения света: а и д — линейные поляризации; в — правая круговая поляризация; б, г и е — эллиптические поляризации различной ориентации. Приведённые рисунки соответствуют положительным разностям фаз d (опережению вертикальных колебаний по сравнению с горизонтальными). l — длина волны света.

Рис. 5а. Интерференционные картины хроматической поляризации в сходящихся лучах при условии, что оптические оси анализатора и поляризатора скрещены (N₁^N₂, см.(смотри) рис.(рисунок) 4). Cрез кристаллической пластинки К перпендикулярен её оптической оси. Если падающий на анализатор свет — белый, картины приобретают сложную характерную окраску.

Рис. 5б. Интерференционные картины хроматической поляризации в сходящихся лучах при условии, что оптические оси анализатора и поляризатора скрещены (N₁^N₂, см.(смотри) рис.(рисунок) 4). Срез параллелен оптической оси. Если падающий на анализатор свет — белый, картины приобретают сложную характерную окраску.

Рис. 4. Схема для наблюдения хроматической поляризации в сходящихся лучах. N₁ — поляризатор, N₂ — анализатор; К — пластинка толщиной l, вырезанная из одноосного двулучепреломляющего кристалла параллельно его оптической оси; L₁, L₂ — линзы. Лучи разного наклона проходят в К разные пути, приобретая разности хода (различные для обыкновенного и необыкновенного лучей). По выходе из анализатора они интерферируют, давая характерные интерференционные картины, показанные на рис.(рисунок) 5.

Рис. 3. Схема наблюдения интерференции поляризованных лучей (хроматической поляризации) в параллельном световом потоке. Поляризатор N₁ пропускает лишь одну линейно поляризованную (в направлении N₁N₁) составляющую исходного пучка. В пластинке К, вырезанной из двулучепреломляющего одноосного кристалла параллельно его оптической оси ОО и установленной перпендикулярно пучку, плоскополяризованный луч разделяется на составляющую А_е с колебаниями электрического вектора, параллельными ОО (необыкновенный луч), и составляющую А_о, колебания электрического вектора которой перпендикулярны ОО (обыкновенный луч). Показатели преломления материала пластинки К для этих двух лучей (n_e и n_o) различны, а следовательно, различны скорости их распространения в К, вследствие чего эти лучи, распространяясь по одному направлению, приобретают разность хода. Разность фаз их колебаний при выходе из К равна d = (¹/ _l) ×2 pl(n_о — n_e), где l — толщина К, l — длина волны падающего света. Анализатор N₂ пропускает из каждого луча только его слагающую с колебаниями, лежащими в плоскости его главного сечения N₂N₂. Если N₁ ^N₂ (оптические оси анализатора и поляризатора скрещены), амплитуды слагающих А₁ и А₂ равны, а разность их фаз D = d + p. Они когерентны и интерферируют между собой. В зависимости от величины D на каком-либо участке пластинки К наблюдатель увидит этот участок тёмным [D = (2k+ 1) p, k — целое число] или светлым (D = 2kp) в монохроматическом свете и окрашенным — в белом свете.

Рис. 1. Колебания проекций электрического вектора Е световой волны на взаимно перпендикулярные оси х и у (z — направление распространения волны, перпендикулярное как х, так и у), б и в — моментальные изображения колебаний и соответствующей огибающей концов полного вектора Е в разных точках волны для случая, когда вертикальные (по оси х) колебания на четверть периода (90° ) опережают горизонтальные (по оси у). В каждой одной точке конец Е в этом случае описывает окружность. Стрелки на в нанесены лишь для того, чтобы яснее показать вид правого винта. Винтовая поверхность отнюдь не вращается вокруг z при прохождении волны. Напротив, следует представлять, что вся винтовая поверхность как целое, не вращаясь, переносится вдоль z со скоростью волны.