Поляризация при отражении

Итог: правополяризованная электромагнитная волна обладает моментом импульса, направленным вдоль распространения волны, левополяризованная электромагнитная волна обладает моментом импульса, направленным против распространения волны. Этот результат будет использоваться при изучении квантовой физики.

Момент импульса электромагнитной волны с вектором напряженности электрического поля, вращающимся по часовой стрелке, ориентирован по направлению распространения волны. Поляризацию такого типа называют правой круговой поляризацией. Если момент импульса электромагнитной волны ориентирован противоположно направлению распространения, то такую волну называют левополяризованной. На рисунке 28 показаны оба типа поляризации. Крестиком в центре отмечено направление распространения волны.

При сложении плоских волн линейной поляризации с плоскостями, ориентированными под прямым углом и с произвольным сдвигом фаз a, результирующее изменение вектора напряженности в данной точке z может быть вращением с одновременным периодическим изменением модуля. Конец вектора напряженности электрического поля волны в этом случае движется по эллипсу. Поляризация данного типа называется эллиптической. Она может быть как левой, так и правой. На рисунке 29 изображены траектории конца вектора напряженности результирующего электрического поля двух волн одинаковой амплитуды с горизонтальной и вертикальной плоскостями поляризации при различных значениях сдвига фаз – от 0 до p. При сдвиге фаз, равном нулю, результирующая волна является плоскополяризованной с плоскостью поляризации, составляющей угол p/4 с горизонтальной плоскостью. При сдвиге фаз, равном p/4, – эллиптическую поляризацию, при p/2 – круговую поляризацию, при 3p/4 – эллиптическую поляризацию, при p – линейную поляризацию.

В том случае, когда волна представляет собой сумму случайно поляризованных составляющих с хаотическим набором сдвигов фаз, все эффекты поляризации теряются. Говорят, что электромагнитная волна в этом случае неполяризована.

2.2 Поляризация при отражении

Солнечный свет, являясь высокочастотным электромагнитным излучением, неполяризован. Рассмотрим несколько способов получения поляризованного света или другого типа электромагнитных волн.

Брюстер исследовал состояния поляризации отраженного от диэлектрика света при различных углах падения. Он обнаружил, что когда направления распространения отраженного и преломленного света составляет друг с другом угол 90о, отраженный свет оказывается полностью поляризованным. Чтобы понять это явление, надо иметь в виду следующее.

а) Отраженная волна генерируется колеблющимися электронами вещества.

б) Максимум этого излучения приходится на направление, перпендикулярное направлению колебаний электронов. В направлении колебаний волна не излучается.

Рассмотрим опыт, в котором плоскополяризованная волна отражается от поверхности прозрачного диэлектрика. Пусть вначале направление колебаний вектора напряженности лежит в плоскости падения. Тогда, при угле между направлениями распространения отраженной и преломленной волн, равном 90о, излучающие электроны вещества колеблются в направлении отраженной волны. Если смотреть со стороны ожидаемого направления отражения, никакого тока не будет обнаружено и, значит, в данном направлении отраженная волна отсутствует. Угол падения, при котором между направлениями распространения отраженной и преломленной волн угол равен 90о, называется углом Брюстера (рисунок 30). Если вектор напряженности электрического поля колеблется перпендикулярно плоскости падения, то ослабления отраженной волны не происходит.

Вопрос 1. Почему при падении неполяризованного света на поверхность прозрачного диэлектрика под углом Брюстера, отраженный свет полностью поляризуется?

Задача 4. При каком угле падения свет, отраженный от поверхности озера, оказывается полностью поляризованным? Показатель преломления воды для видимого света равен 4/3.

Решение. Свет оказывается полностью поляризованным при угле падения равном углу Брюстера. Закон Снеллиуса гласит sina/sinb=n. При угле падения равном углу Брюстера имеем по определению
(900—a)+(900—b)=900. Отсюда a+b=900 Û b=900—a. Подставляя данное выражение в закон преломления, получаем: tgaБрюст=n, a»530.

Вопрос 2. Воздух рассеивает свет (голубое небо — это рассеянный солнечный свет). При каком угле рассеяния (угол между направлениями падающего и рассеянного света) свет оказывается полностью поляризованным?

Домашний опыт. В вашем распоряжении имеются две стеклянные пластинки, лампочка накаливания с источником, штатив. Попытайтесь с помощью одной из пластинок получить поляризованный свет, с помощью другой — установить ориентацию плоскости поляризации. Показатель преломления стекла примерно равен n»3/2.

2.3 Двойное лучепреломление

Есть такие материалы, показатель преломления которых различен для света с различными плоскостями поляризации. Физическая причина такого свойства заключена в особом устройстве молекул. Например, молекулы несферические и вытянутые. При этом собственные частота колебаний электронов вдоль вытянутости w01 и поперек – w02 — могут оказаться разными. На предыдущем занятии было установлено, что показатель преломления вещества зависит от разности w —w2.Чем меньше разность, тем больше показатель преломления. Далее ось вытянутых молекул будем называть оптической осью. Если направление колебаний электрического вектора происходит вдоль оптической оси, то показатель преломления — один. Если электрический вектор колеблется поперек оптической оси, то показатель преломления другой. При прохождении одного и того же слоя вещества светом с ориентацией колебаний электрического вектора по и поперек оптической оси фаза волны будет изменяться на разные значения. Такие вещества называют двоякопреломляющими. Волну, для которой показатель преломления увеличен, называют необыкновенной, а другую — обыкновенной.