Поляризація світла , одна з фундаментальних властивостей оптичного випромінювання (світла), що полягає в нерівноправ'ї різних напрямів в плоскості, перпендикулярній світловому променю (напряму поширення світлової хвилі). П. с. називаються також геометричні характеристики, які відображають особливості цього нерівноправ'я. Вперше поняття о П. с. було введено в оптику І. Ньютоном в 1704—06, хоча явища, обумовлені нею, вивчалися і раніше (відкриття подвійного променезаломлення в кристалах Е. Бартоліном в 1669 і його теоретичний розгляд Х. Гюйгенсом в 1678—90). Сам термін «П. с.» запропонований в 1808 Е. Малюсом . З його ім'ям і з іменами Ж. Біо, О. Френеля, Д. Араго, Д. Брюстера і ін. зв'язаний початок широкого дослідження ефектів, в основі яких лежить П. с.
Істотне значення для розуміння П. с. мало її прояв в ефекті інтерференції світла . саме Той факт, що два світлових світивши, лінійно поляризованих (див. нижчий) під прямим кутом один до одного, при простій постановці досвіду не інтерферують, з'явився вирішальним доказом поперечності світлових хвиль (Френель, Араго, Т. Юнг 1816—19). П. с. знайшла природне пояснення в електромагнітній теорії світла Дж. До. Максвелла (1865—73) (див. Оптика ) .
Поперечность світлових хвиль (як і будь-яких ін. електромагнітних хвиль ) виражається в тому, що вектори , що коливаються в них, напруженості електричного поля Е і напруженості магнітного поля Н перпендикулярні напряму поширення хвилі. Е і Н виділяють (звідси вказане вище нерівноправ'я) певні напрями в просторі, зайнятому хвилею. Крім того, Е і Н майже завжди (про виключення див.(дивися) нижче) взаємно перпендикулярні, тому для повного опису стану П. с. потрібно знати поведінку лише одного з них. Зазвичай для цієї мети вибирають вектор Е.
Світловий імпульс, що випускається яким-небудь окремо взятим елементарним випромінювачем (атом, молекула) в одиничному акті випромінювання, завжди поляризований повністю. Але макроскопічні джерела світла складаються з величезного числа таких часток-випромінювачів; просторова орієнтації векторів Е (і моменти актів випромінювання) світлових імпульсів окремих часток в більшості випадків розподілені хаотично (це не відноситься, наприклад, до лазерам ) . Крім того, поляризація міняється в результаті процесів взаємодії між частками-випромінювачами. Тому в загальному випромінюванні переважної більшості джерел напрям Е не визначене (воно безперервне і безладно міняється за надзвичайно малі проміжки часу). Подібне випромінювання називається неполяризованим, або природним, світлом. Е, як і всякий вектор, завжди можна представити у вигляді суми його проекцій на 2 взаємно перпендикулярних напрями (вибираних в плоскості, поперечній напряму поширення світла). У природному світлі різниця фаз між такими проекціями безперервно і хаотично міняється. У повністю поляризованому світлі ця різниця фаз строго постійна, тобто взаємно перпендикулярні компоненти Е когерентні (див. Когерентність ) . Створивши певні умови на дорозі поширення природного світла, можна виділити з нього поляризовану (повністю або частково) складову. Крім того, повна або часткова (про сенс цього поняття див.(дивися) нижче) П. с. виникає у ряді природних процесів випускання світла і його взаємодії з речовиною.
Повну поляризацію монохроматичного світла характеризують проекцією траєкторії кінця вектора Е ( мал. 1 ) в кожній крапці світивши на плоскість перпендикулярну свічу. У найзагальнішому випадку т.з. еліптичній поляризації така проекція — еліпс, що легко зрозуміти, враховуючи постійність різниці фаз між взаємно перпендикулярними компонентамі Е і подібність частоти їх коливань в монохроматичній хвилі. Для повного опису еліптичною П. с. необхідно знати напрям обертання Е по еліпсу (праве або ліве), орієнтацію осей еліпса і його ексцентриситет (див., наприклад, мал. 2 , би, г, е) . Найбільший інтерес представляють граничні випадки еліптичною П. с. — лінійна П. с. (різниця фаз 0, до p, де до — ціле число, мал. 2 , а і д) , коли еліпс вироджується у відрізок прямої, і круг, або циркулярна я, П. с. [різниця фаз ±(2 до + 1)p/2], при якій еліпс поляризації перетворюється на коло. Визначаючи стан лінейно- або плоскополяризованого світла, досить вказати положення плоскість поляризації світла, поляризованого по кругу, - напрям обертання (праве — мал. 2 , в, або ліве). У складних неоднорідних світлових хвилях (наприклад, в металах або при повному внутрішньому віддзеркаленні ) миттєві напрями векторів Е і Н вже не зв'язані простим співвідношенням ортогональності, і для повного опису П. с. в таких хвилях потрібне знання поведінки кожного з цих векторів окремо.
Якщо фазове співвідношення між компонентамі (проекціями) Е міняється за часи, багато менші часу виміру П. с., не можна говорити про повну П. с. Проте може статися, що в складових пучок світла монохроматичних хвилях Е міняється не абсолютно хаотично, а між взаємно перпендикулярними компонентамі Е існує деяке переважне фазове зрушення (фазова кореляція), що зберігається протягом достатній довгого часу. Фізично це означає, що в полі світлової хвилі амплітуда проекції Е на один з взаємно перпендикулярних напрямів завжди більше, ніж на інше. Міра подібної фазової кореляції в такому — частково поляризованому — світлі описують параметром р — мірою П. с. Так, якщо переважне фазове зрушення дорівнює 0, світло частково лінійно поляризоване; ± p/2 — частково поляризований по кругу. Частково поляризоване світло можна розглядати як «суміш» двох крайніх видів — повністю поляризованого і природного. Їх співвідношення і характеризують параметром р, який часто (але не завжди) визначають як , де індекси 1 і 2 відносяться до інтенсивностей I світла двох «ортогональних» поляризацій, наприклад лінійних у взаємно перпендикулярній плоскості або відповідних правою і лівою круговим поляризаціям; р може мінятися від 0 до 100%, відображаючи всі кількісні градації стану П. с. (Слід мати на увазі, що світло, що виявляється в одних дослідах як неполяризований, в інших може виявитися повністю поляризованим — з П. с., змінною в часі, по перетину пучка або по спектру.)
В квантовій оптиці електромагнітне випромінювання розглядають як потік фотонів (див. Випромінювання, Квантова механіка, Оптика ) . Стани П. с. з квантової точки зору визначаються тим, яким моментом кількості руху володіють фотони в потоці. Так, фотони з круговою поляризацією (правою або лівою) володіють моментом, рівним ± ( — Планка постійна ) . Будь-який стан П. с. може бути виражено всього через два т.з. базисних стани. При описі П. с. вибір пари вихідних базисних станів неоднозначний — ними можуть служити, наприклад, будь-які дві взаємно-ортогональні лінійні П. с., права і ліва круги П. с. і т.д., причому в кожному випадку від однієї пари базисних станів можна по певних правилах перейти до ін. парі.
Ця неоднозначність має в квантовому підході принциповий характер, проте «свавілля» зазвичай обмежують конкретні фізичні умови: найзручніше вибирати за базисну пару такі стани П. с., які переважають в актах випускання фотонів елементарними випромінювачами або визначають даний процес взаємодії світла і речовини. (Визначення стану П. с. на досвіді здійснюється за допомогою такої взаємодії; по загальних правилах квантової механіки подібний експеримент завжди міняє — інколи нехтує мало, інколи істотно — початкову П. с.) Базисні стани і стани, що описуються будь-якою лінійною комбінацією базисних (суперпозицією, див.(дивися) Суперпозиції принцип ), називаються чистими. Вони відповідають повною П. с., з мірою П. с. 100%. Фотони можуть знаходитися не лише в чистих, але і в т.з. змішаних станах, в яких міра їх поляризації менше 100% і може доходити до нуля (природне світло). Змішані стани також виражаються через базисні, але складнішим чином, ніж лінійна суперпозиція (їх називають некогерентною сумішшю чистих станів). Взаємодія світла і речовини може в певних умовах приводити до повного або часткового «виділення» тих, що чистих складаються із змішаних (за рахунок згаданої вище зміни П. с. при такій взаємодії).
Це явище використовується для здобуття повністю поляризованого світла або збільшення міри П. с. в багатьох поляризаційних приладах . Якщо за базисних стани П. с. вибрано два круговий (права і ліва) П. с., то при їх накладенні (когерентній суперпозиції) в рівних долях спостерігається лінійна П. с.; суперпозиції їх в різних ін. співвідношеннях дають еліптичні П. с. зі всілякими характеристиками. Через ці ж базисні стани можуть бути виражені будь-які змішані стани. Т. о., той або інший вибір всього двох базисних станів дає можливість описати всі стани П. с.
Експерименти підтверджують теоретичний вивід про те, що кожен фотон, поляризований по кругу, володіє моментом кількості руху = h /2p (див. Оптична орієнтація, Садовського ефект ) . Характер поляризації фотонів визначається законом збереження моменту кількості руху системи елементарний випромінювач — випущений фотон (при умові, що взаємодією окремих випромінювачів між собою можна нехтувати).
Окрім особливостей елементарних актів випромінювання, до часткової (а інколи і повною) П. с. приводить безліч фізичних процесів. До них відносяться, наприклад, віддзеркалення світла і заломлення світла, при яких П. с. обумовлена відмінністю оптичних характеристик кордону розділу двох середовищ для компонент світлового пучка, поляризованих паралельно і перпендикулярно плоскість падіння (див. Брюстера закон ) . Світло може поляризуватися при проходженні через середовища, що володіють природною або викликаною зовнішніми діями (індукованою) оптичною анізотропією (унаслідок неоднаковості коефіцієнтів поглинання світла при різних станах П. с., наприклад при правій і лівій кругах П. с. — т.з. круговий діхроїзм, що є окремим випадком плеохроїзма ; унаслідок відмінності заломлення показників середовища для променів різних лінійних поляризацій — подвійного променезаломлення, див.(дивися) також Крісталлооптіка ) . Дуже часто повністю поляризовано випромінювання лазерів ; одній з основних (але не єдиною!) причин П. с. в лазерах є специфічний характер вимушеного випромінювання, при якому поляризації фотона, що випускається, і фотона, що викликав акт випускання, абсолютно тотожні; т.ч. при лавиноподібному множенні числа фотонів, що випускаються, в лазерному імпульсі їх поляризації можуть бути абсолютно однаковими. П. с. виникає при резонансному випромінюванні в парах, рідинах і твердих тілах. П. с. при розсіянні світла настільки характерна, що її дослідження — один з основних способів вивчення як особливостей і умов самого розсіяння, так і властивостей розсіюючих центрів, зокрема їх структури і взаємодії між собою (див., наприклад, Атмосферна оптика, Комбінаційне розсіяння світла,Поляризація небесного зведення ) . (При розсіянні поляризованого світла відбувається і його деполяризація — зменшення міри П. с.) В певних умовах сильно поляризовано люмінесцентне свічення (див. Люмінесценція ) , особливо при збудженні його поляризованим світлом. П. с. вельми чутлива до величини напруженості і орієнтації електричні і магнітні полів; у сильних полях компоненти, на які розщеплюються спектральні лінії випускання, поглинання і люмінесценції газоподібних і систем, що конденсують, виявляються поляризованими (див. Зеемана ефект . Магнітооптика, Штарка ефект ) .
Одним з ефектів інтерференції поляризованих променів світла є хроматична П. с.
Характерна для всіх інтерференційних явищ залежність від довжини хвилі («кольори») випромінювання приводить при цій «П. с.» (як показує само назва) до фарбування інтерференційної картини, якщо вихідний потік був білим світом . Звичайна схема здобуття картини хроматичною П. с. в паралельних променях приведена на мал. 3 . Залежно від різниці ходу звичайного і незвичайного променів, що набуває в двулучепреломляющей пластинці, спостерігач бачить цю пластинку (у світлі, що виходить з аналізатора) темною або світлою в монохроматичному світлі або забарвленою — в білому. Якщо пластинка неоднорідна по товщині або по показнику заломлення, її ділянки, в яких ці параметри однакові, видно відповідно однаково темними або світлими або однаково забарвленими. Лінії однакової колірності називають ізохромамі. Схема для спостереження хроматичною П. с. в променях, що сходяться, показана на мал. 4 , а отримувані при цьому картини — на мал. 5 .
На багатьох з перерахованих явищ засновані принципи дії всіляких поляризаційних приладів, за допомогою яких не лише аналізують стан П. с., що випускається зовнішніми джерелами, але і отримують потрібну П. с. і перетворять одні її види в інших.
Особливості взаємодії поляризованого світла з речовиною зумовили його виключно широке вживання в наукових дослідженнях крісталлохимічеськой і магнітної структури твердих тіл, будови біологічних об'єктів (наприклад, поляризаційна мікроскопія, див.(дивися) Мікроскоп ) , станів елементарних випромінювачів і їх окремих центрів, відповідальних за квантові переходи, для здобуття інформації про надзвичайно видалених (у частковості, астрофізичних) об'єктах. Взагалі, П. с. як істотна анізотропна властивість випромінювання дозволяє вивчати всі види анізотропії речовини — поведінка газоподібних, рідких і твердих тіл в полях анізотропних обурень (механічних, звукових, електричних, магнітних, світлових), в крісталлооптіке — структуру кристалів (у переважній більшості — оптично анізотропних), в техніці (наприклад, в машинобудуванні) — пружна напруга в конструкціях (див. Поляризаційно-оптичний метод дослідження напруги) і т.д. Вивчення П. с., що випускається або розсіюваного плазмою, грає важливу роль в діагностиці плазми . Взаємодія поляризованого світла з речовиною може приводити до оптичній орієнтації або т.з. вибудовуванню атомів, генерації потужного поляризованого випромінювання в лазерах і пр. Навпаки, дослідження деполяризації світла при фотолюмінесценції дає зведення про взаємодію поглинаючих і випромінюючих центрів в частках речовини, при розсіянні світла — коштовні дані про структуру і властивості розсіюючих молекул або інших часток, в ін. випадках — про протікання фазових переходів і т.д. П. с. широко використовується в техніці, наприклад при необхідності плавного регулювання інтенсивності світлового пучка (див. Малюса закон ) , для посилення контрасту і усунення світлових відблисків в фотографії, при створенні світлофільтрів, модуляторів випромінювання (див. Модуляція світла ) , службовців одними з основних елементів систем оптичній локації і оптичному зв'язку, для вивчення протікання хімічних реакцій будови молекул, визначення концентрацій розчинів (див. Поляриметрія, Цукрометрія ) і мн.(багато) ін. П. с. грає помітну роль в живій природі. Багато живих істот здатні відчувати П. с., а деякі комахи (бджоли, мурашки) орієнтуються в просторі по поляризованому (в результаті розсіяння в атмосфері) свіченню блакитного піднебіння. При певних умовах до П. с. стає чутливим і людське око (т.з. явище Хайдінгера).
Літ.: Ландсберг Р. С., Оптика, 4 видавництва, М., 1957 (Загальний курс фізики, т. 3); Шеркліфф В., Поляризоване світло, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1965; Борн М., Вольф Е., Основи оптики, пер.(переведення) з англ.(англійський), 2 видавництва, М., 1973; Феофілов П. П., Поляризована люмінесценція атомів, молекул і кристалів, М., 1959; Ахиезер А. І., Берестецкий Ст Би., Квантова електродинаміка, 3 видавництва, М., 1969.
