Поляризирана и естествена светлина. Разликата между поляризираната светлина и естествената

Вълните са два вида. В надлъжно осцилаторно смущение е успоредно на посоката на тяхното разпространение. Пример за това е преминаването на звука във въздуха. Напречните вълни се състоят от смущения, които са под ъгъл от 90 ° спрямо посоката на преместване. Така например, вълна, преминаваща хоризонтално през маса вода, причинява вертикални колебания на повърхността й.

Откриването на феномена

Редица мистериозни оптични ефекти, наблюдавани в средата на 17 век, бяха обяснени, когато поляризираната и естествена светлина започна да се разглежда като вълнообразен феномен и са открити посоките на колебанията му. Първият така наречен поляризационен ефект бе открит от датския лекар Еразъм Бартолин през 1669 г. Учените са наблюдавали двойно пречупване или двойно пречупване в Исландия, или калцит (кристалната форма на калциев карбонат). Когато светлината преминава през калцит, кристалът я разделя, като образува две изображения, изместени един спрямо друг.

Нютън знаеше за това явление и предложи, може би, светлите корпуси да притежават асиметрия или "едностранчивост", която може да бъде причината за образуването на две образи. Хюйгенс, съвременник на Нютон, успя да обясни двойното пречупване на теорията си за елементарните вълни, но не разбираше истинското значение на ефекта. Двойното пречупване остава мистерия, докато Томас Йънг и физик от Франция Августин-Жан Френел не предполага, че светлинните вълни са напречни. Една проста идея дава възможност да се обясни какво е поляризирано и естествено светлина. Това е осигурява естествена и неусложнена основа за анализ на поляризационните ефекти.

Двурефренцията се дължи на комбинация от две перпендикулярни поляризации, всяка от които има своя скорост на вълната. Поради разликата в скоростта, двата компонента имат различни индекси на пречупване и следователно те се различават по друг начин през материала, като произвеждат две изображения.

Поляризирана и естествена светлина: теорията на Максуел

Френел бързо разработи сложен модел на напречни вълни, които доведоха до двойно поражение и редица други оптични ефекти. Четиридесет години по-късно, електромагнитните Теорията на Максуел елегантно обясни напречната природа на светлината.

Електромагнитни вълни Maxwell`s са съставени от магнитни и електрически полета, които се движат перпендикулярно на посоката на преместване. Полетата са под ъгъл 90 ° една спрямо друга. В този случай посоките на разпространение на магнитните и електрическите полета образуват дясна координатна система. За вълна с честота е и дължина ламбда (те са свързани с зависимост ламбда-f = s), който се движи в положителна посока x, полетата са описани математически:

• E (x, t) = E₀cos (2PI-х / ламбда- - 2PI-ft) y ^ -
• B (х, t) = В₀cos (2PI-х / ламбда- - 2PI-ft) z ^.

Уравненията показват, че електрическото и магнитното поле са във фаза един с друг. Във всеки един момент те едновременно достигат своите максимални стойности в пространството, равно на Е₀ и Б₀. Тези амплитуди не са независими. Уравненията на Максуел показват, че Е.₀ = cB₀ за всички електромагнитни вълни във вакуум.

Посока на поляризацията

При описването на ориентацията на магнитните и електрическите полета светлинните вълни обикновено се посочват само по посока на електрическото поле. Векторът на магнитното поле се определя от изискването за перпендикулярност на полетата и тяхната перпендикулярност спрямо посоката на движение. Естествената и линейно поляризираната светлина се отличава с факта, че във вторите полетата се движат в неподвижни посоки, когато вълната се движи.

Други състояния на поляризация са възможни. В случая на кръгова векторите на магнитните и електрическите полета се въртят по отношение на посоката на разпространение с постоянна амплитуда. Елиптично поляризираната светлина е в междинно положение между линейни и кръгови поляризации.

Неполяризирана светлина

Атомите на повърхността на нагрятата нишка, която генерира електромагнитно лъчение, работят независимо един от друг. Всяко излъчване може приблизително да бъде моделирано под формата на къси влакове с продължителност от 10^-9 до 10^-8 секунди. Електромагнитната вълна, излъчвана от нишката, е суперпозиция на тези влакове, всяка от които има своя собствена посока на поляризация. Сумата от произволно ориентирани влакове образува вълна, чийто поляризационен вектор варира бързо и случайно. Такава вълна се нарича неполяризирана. всички естествени източници на светлина, включително слънце, лампи с нажежаема жичка, флуоресцентни лампи и пламък, произвеждат такова лъчение. Въпреки това, естествената светлина често е частично поляризирана поради множественото разсейване и отражение.

По този начин разликата между поляризираната светлина и естествената светлина се крие във факта, че в първата се развиват трептенията в една равнина.

Източници на поляризирано лъчение

Поляризирана светлина може да се произведе в случаите, когато се определя пространствената ориентация. Един пример е синхротронното лъчение, в което високоенергично заредени частици се движат в магнитно поле и излъчват поляризирани електромагнитни вълни. Има много известни астрономически източници, които излъчват естествено поляризирана светлина. Те включват мъглявини, остатъци от супернови и активни галактически ядра. Изследва се поляризацията на космическото излъчване, за да се определят свойствата на неговите източници.

Полароид филтър

Поляризираната и естествена светлина се разделят, когато преминават през серия от материали, най-често срещани са полороидите, създадени от американския физик Едуин Ланд. Филтърът се състои от дълги вериги от въглеводородни молекули, ориентирани в една посока чрез процес на термична обработка. Молекулите селективно абсорбират лъчение, чието електрическо поле е успоредно на ориентацията им. Светлината, излизаща от полароида, е линейно поляризирана. Неговото електрическо поле е перпендикулярно на ориентацията на молекулите. Polaroid е намерил приложение в много области, включително слънчеви очила и светлинни филтри, които намаляват ефекта от отразената и разсеяна светлина.

Природна и поляризирана светлина: законът на Малус

През 1808 г. физикът Етиен Луи Малиус открива, че светлината, отразена от неметалните повърхности, е частично поляризирана. Степента на този ефект зависи от ъгъла на разпространение и индекса на пречупване на отразяващия материал. В един от крайните случаи, когато тангентата на ъгъла на разпространение на лъча във въздуха е равна на индекса на пречупване на отразяващия материал, отразената светлина става напълно линеарно поляризирана. Това явление е известно като закона на Брустър (кръстен на откривателя му, шотландският физик Дейвид Брюстър). Посока на поляризация, успоредна на отразяващата повърхност. Тъй като отблясъците от светлината обикновено се появяват, когато се отразяват от хоризонтални повърхности като пътища и вода, филтрите често се използват в слънчеви очила, за да се премахне хоризонталната поляризирана светлина и следователно селективно да се отстранят отраженията на светлината.

Рейлей разпръсна

Разпръскването на светлината от много малки обекти, чиито размери са много по-малки от дължината на вълната (така нареченото разсейване на Rayleigh от името на английския учен лорд Райли), също създава частична поляризация. Когато слънчевата радиация преминава през земната атмосфера, тя се разсейва от молекулите на въздуха. Земята достига разсеяна поляризирана и естествена светлина. Степента на поляризация зависи от ъгъла на разсейване. Тъй като човек не прави разлика между естествена и поляризирана светлина, този ефект по правило остава незабелязан. Въпреки това, очите на много насекоми отговарят на него и използват относителната поляризация на разсеяната радиация като навигационен инструмент. Конвенционален светлинен филтър за фотоапарат, използван за намаляване на фоновото излъчване при ярка слънчева светлина, е обикновен линеен поляризатор, който разделя естествената и поляризирана Rayleigh светлина.

Анизотропни материали

Полярните ефекти се наблюдават в оптично анизотропни материали (в които индекс на пречупване варира в посоката на поляризация), като двукрили кристали, определени биологични структури и оптически активни материали. Технологичните приложения включват поляризационни микроскопи, дисплеи с течни кристали и оптични инструменти, използвани за изследване на материали.