Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

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 в 1690 X. Гюйгенсом (Ch. Huygens) при опытах с кристаллами исландского шпата. Понятие "П. с." введено в оптику в 1704-06 И. Ньютоном (I. Newton). 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, разработанной в 1865-73 Дж. К. Максвеллом (J. С. Maxwell), позднее - в квантовой электродинамике.

Поперечность эл.-магн. волны лишает её осевой симметрии относительно направления её распространения из-за наличия выделенных направлений (вектора Е - напряжённости электрич. поля, вектора H - напряжённости магн. поля) в плоскости, перпендикулярной направлению волнового вектора. Состояние П. с. принято связывать с типом движения вектора Е, направление к-рого в нерелятивистском приближении определяет направление силы, действующей на заряж. частицу в поле световой волны. Полностью поляризованная световая волна характеризуется полной скоррелирован-ностью ( когерентностью )колебаний взаимно ортогональных компонент вектора Е, т. е. постоянством их амплитуд и разности фаз. Все типы П. с. можно рассмотреть на примере монохроматич. эл.-магн. волны, компоненты вектора Е к-рой меняются во времени по гармонич. закону, а сам вектор Е совершает неизменно воспроизводимое периодич. движение. Монохроматич. волна, очевидно, всегда полностью поляризована. Графически состояние П. с. обычно изображают с помощью эллипса поляризации - проекции траектории конца вектора Е на плоскость, перпендикулярную лучу (рис. 1). Проекц. картина полностью поляризованного света в общем случае имеет вид эллипса с правым или левым направлением вращения вектора Е (рис. 1, б, г, е). Такой свет наз. эллиптически поляризованным. Наиб, интерес представляют предельные случаи эллиптич. поляризации - линейная, когда эллипс поляризации вырождается в отрезок прямой линии (рис. 1, а, д), определяющий положение (азимут q) плоскости поляризации, и циркулярная (или круговая), когда эллипс поляризации представляет собой окружность (рис. 1, в).

Рис. 1. Примеры различных поляризационных состояний светового луча при различных разностях фаз между равными взаимно ортогональными компонентами

и

В первом случае свет наз. плоскополяризованным или линейно поляризованным, а во втором - право- или левоциркулярно поляризованным в зависимости от направления обхода эллипса поляризации. П. с. принято называть правой, если вектор Е совершает вращение по часовой стрелке при наблюдении навстречу световому лучу.

Для количеств. описания характера поляризации полностью поляризованного света используют величину отношения длин малой ( В )и большой ( А )полуосей эллипса поляризации - эллиптичность е= В/А, приписывая ей знак, определяемый направлением вращения вектора Е. Правополяризованному свету приписывают положительную эллиптичность, а левополяризованному свету - отрицательную. Т. о., для всех типов П. с. эллиптичность е лежит в пределах -11. В нек-рых случаях удобно ввести также угол эллиптичности определяемый соотношением

При аналитич. описании П. с. обычно не рассматривают временные и пространственные изменения эл.-магн. волны. Наиб. простое аналитич. описание полностью эллиптически поляризованного света осуществляется с помощью вектора Джонса, представляющего собой столбец из двух величин, определяющих комплексные амплитуды ортогональных компонент волны в данной точке пространства:

Здесь и - скалярные амплитуды гармонич. колебаний вектора Е вдоль осей x и у, а d_x и d_y их фазы. Точное представление поляризов. света удобно при решении задач преобразования П. с., взаимодействующего с разл. недеполяризующими оптически анизотропными элементами (см. Джонса матричный метод). В тех случаях, когда конкретные величины амплитуд и фаз компонент волны не важны, сведения о фор-ме эллипса поляризации можно получить из комплексной величины, определяемой как отношение компонент вектора Джонса:

При этом модуль определяет отношение амплитуд компонент вектора Е, а аргумент - разность фаз этих компонент. Т. о., между разл. типами П. с. и точками комплексной плоскости существует однозначное взаимное соответствие, что позволяет рассматривать комплексную плоскость как пространство состояний П. с. Связь между комплексной величиной и параметрами эллипса поляризации (азимутом и углом эллиптичности ) даётся выражением

На рис. 2 изображены состояния П. с., соответствующие разл. точкам комплексной плоскости Состояния поляризации, характеризующиеся постоянной разностью фаз между и располагаются

Рис. 2. Состояния поляризации, соответствующие различным точкам декартовой комплексной плоскости. Начало координат (= 0) и бесконечно удалённая точка (= со) соответствуют базисным состояниям горизонтальной и вертикальной линейной поляризации. Все состояния линейной поляризации с произвольным азимутом плоскости поляризации располагаются на вещественной оси Точки соответствуют правой и левой круговым поляризациям. на этой плоскости вдоль радиальных прямых, проходящих через начало координат, а состояния с одинаковым отношением амплитуд - вдоль концентрич. окружностей с центром в начале координат.

Состояния П. с. можно представить не только в декартовой комплексной плоскости. В качестве базисных состояний вектора Джонса может использоваться любая пара взаимно ортогональных состояний поляризации, т. е. состояний с азимутами эллипсов поляризации отличающимися на и углами эллиптичности равными по модулю, но имеющими противоположные знаки. В частности, используя состояния циркулярной поляризации в качестве базисных, можно установить соответствие между типами П. с. и точками комплексной плоскости на базе соотношения где - амплитуды право- и левоциркулярнополяризованных компонент световой волны, а -разность фаз между ними. В этом случае начало координат и бесконечно удалённая точка комплексной плоскости соответствуют состояниям циркулярной поляризации, а точки, расположенные по окружности единичного радиуса с центром в начале координат,- состояниям линейной поляризации. Это представление особо интересно потому, что в 1892 А. Пуанкаре (Н. Poincare), используя стереографич. проекционное преобразование, установил однозначную связь между точками декартовой комплексной плоскости П. с. с циркулярными базисными состояниями и точками сфе- рич. поверхности состояний поляризации, названных впоследствии Пуанкаре сферой. Сфера Пуанкаре является наиб. компактным геом. представлением пространства П. с. и широко используется при решении задач поляризац. оптики.

Состояние П. с. немонохроматической световой волны, как правило, не может быть описано вектором Джонса или точкой на сфере Пуанкаре, т. к. компоненты вектора E немонохроматич. волны не полностью скор-релированы. Поэтому компоненты вектора Джонса оказываются зависящими от времени с характеристич. временем корреляции, равной примерно обратной ширине спектра (для световых полей широкого спектрального состава понятие вектора Джонса вообще теряет смысл). В результате разность фаз и отношение амплитуд компонент вектора E меняются за времена, обычно существенно более короткие, чем время измерения состояния поляризации, и свет является в этом случае частично поляризованным. Если к.-л. корреляция между значениями амплитуд и фаз компонент вектора E отсутствует, свет не обнаруживает анизотропии в плоскости колебаний вектора E и наз. неполяризованным или естественным.

Для аналитич. описания поляризац. состояния немонохроматич. световых волн используют параметры, отражающие усреднённые по времени интенсивности разл. поляризац. компонент световой волны. В 1852 Дж. Стоксом (J. Stokes) введён вектор (см. Стокса параметры), представляющий собой совокупность четырёх параметров определяющих интенсивности соответственно всего пучка - части пучка преим. с горизонтальной поляризацией - с поляризацией под углом и с поляризацией правоциркулярной - Благодаря простоте эксперим.

определения параметров Стокса произвольным образом поляризованного света и удобству аналитич. описания процессов преобразования поляризации света с помощью Мюллера матрицы вектор Стокса широко используется при решении задач поляризац. оптики. Для полностью поляризованной световой волны компоненты вектора Стокса связаны соотношением Для частично поляризованного света вводится понятие степени поляризацииопределяемой как отношение интенсивности полностью поляризованной компоненты волны к её полной интенсивности:

Сфера единичного радиуса, соответствующая всем состояниям полностью поляризованного света (=1), совпадает со сферой Пуанкаре, а все точки внутри этой сферы соответствуют состояниям частичной поляризации.

Компоненты вектора Стокса связаны линейно с мат-рицей когерентности, компоненты к-рой в явной форме описывают корреляц. свойства компонент волны:

Матрица когерентности в сочетании с матрицами Джонса служит для описания преобразования частично поляризованного света, распространяющегося через линейную недеполяризующую среду. Для описания распространения света через деполяризующие среды используются матрицы Мюллера.

В квантовой электродинамике с П. с. связывают спиновое состояние фотонов, образующих световой пучок. Так, право- или левоциркулярно поляризованный свет соответствует потоку фотонов с проекцией спина на направление распространения (спиральностью) + 1 или -1. Эллиптически поляризованному свету соответствует суперпозиция спиновых состояний эл.-магн. поля (см. Интерференция состояний). Каждый из циркулярно поляризованных фотонов несёт момент импульса, равный что проявляется как в классических, так и в квантовых эффектах взаимодействия света с веществом (напр., в Садовского эффекте).

Особенности элементарного акта излучения, а также множество физ. процессов, нарушающих осевую симметрию светового пучка, приводят к тому, что свет всегда частично поляризован. П. с. может возникать при отражении и преломлении света на границе раздела двух изотропных сред с разл. показателями преломления в результате различия оптич. характеристик границы для компонент, поляризованных параллельно и перпендикулярно плоскости падения (см. Френеля формулы). Свет может поляризоваться либо при прохождении через анизотропную среду (с естеств. или индуцированной оптич. анизотропией), либо вследствие разных коэф. поглощения для разл. поляризаций (см. Дихроизм), либо вследствие двойного лучепреломления. П. с. возникает при рассеянии света, при оптич. возбуждении резонансного свечения в парах, жидкостях и твёрдых телах. Обычно полностью поляризовано излучение лазеров. В сильных электрич. и магн. полях наблюдается полная поляризация компонент расщепления спектральных линий поглощения и люминесценции газообразных и конденсиров. сред (см. Электрооптика, Магнитооптика).

Нек-рые из этих эффектов лежат в основе простейших поляризац. приборов - поляризаторов, фазовых пластинок, компенсаторов оптических, деполяризаторов и т. д., с помощью к-рых осуществляется создание, преобразование и анализ состояния П. с. Изменение состояния П. с. в результате прохождения через дву-преломляющую среду лежит в основе изучения оптич. анизотропии кристаллов. При визуальных исследованиях оптически анизотропных сред используется эффект хроматич. поляризации - окрашивания поляри-зов. пучка белого света в результате прохождения через анизотропный кристалл и анализатор.

Поляризов. свет служит не только как зонд оптич. анизотропии среды, но и как возмущение, инициирующее анизотропию. Большинство такого рода эффектов относится к нелинейной оптике. Вне зависимости от механизма эффекта характер оптически индуцируемой анизотропии определяется типом П. с. Так, циркуляр-но поляризованный свет способен инициировать в среде циркулярную анизотропию и, в частности, вызвать появление аксиального вектора намагниченности (см., напр., Оптическая ориентация), а линейно поляризованный свет индуцирует линейную анизотропию ( выстраивание, оптический Керра эффект).

П. с. и особенности взаимодействия поляризов. света с веществом широко применяются в исследованиях кристаллохим. и магн. структуры твёрдых тел, оптич. свойств кристаллов, природы состояний, ответственных за оптич. переходы, структуры биол. объектов, характера поведения газообразных, жидких p твёрдых тел в полях анизотропных возмущений, а также для получения информации о труднодоступных объектах (напр., в астрофизике). Поляризов. свет используется во мн. областях техники: для плавной регулировки интенсивности светового пучка, при исследовании напряжений в прозрачных средах ( поляризационно-оптиче-ский метод), при создании светофильтров, модуляторов излучения и пр.

Лит.: Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б., Квантовая электродинамика, 4 изд., М., 1981; Феофи-л о в П. П., Поляризованная люминесценция атомов, молекул и кристаллов, М., 1959; Шерклифф У., Поляризованный свет, пер. с англ., М., 1965; Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Джеррард А., Беrч Д ж. М., Введение в матричную оптику, пер. с англ., М., 1978; Аззам Р., Башара Н., Эллипсометрия и поляризованный свет, пер. с англ., М., 1981. В. С. Запасский.