marta_inj (marta_inj) wrote,
marta_inj
marta_inj

Category:

Поляризация света

Перевод сайта

Электромагнитные волны – это изменяющиеся во времени и пространстве электрические и магнитные поля. Они распространяются со скоростью света. В любой точке светового луча магнитное поле перпендикулярно электрическому. Поэтому, для большей ясности, в анимациях показано только электрическое поле. И электрическое, и магнитное поле колеблется в плоскости, перпендикулярной направлению распространения светового луча (а он таки распространяется?).
В анимациях показан вектор, длина которого обозначает напряженность электрического поля в данной точке. Это не волна света! Свет в боковом направлении не распространяется.

Плоско-поляризованные волны (1)
Если вектор электрического поля (в данной точке пространства) колеблется вдоль вертикальной линии, волны называются плоско-поляризованными или линейно-поляризованными.

трехмерное представление ........................ фронтальная проекция

Плоско-поляризованные волны (2)
А это волны, поляризованные горизонтально.


Сложение плоско-поляризованных волн 1
Когда две плоско-поляризованные в перпендикулярной плоскости волны накладываются друг на друга, их векторы можно складывать по правилу параллелограмма. Свойства результирующей электромагнитной волны будут зависеть от разницы интенсивности и фаз первоначальных волн.
На анимации показано сложение двух одинаковых по амплитуде и длине волн, поляризованных в двух противоположных направлениях, совпадающих по фазе. Совпадение по фазе означает, что две волны одновременно увеличиваются и одновременно уменьшаются. Одна волна обозначена красным цветом, другая – зеленым. Результирующая волна обозначена голубым цветом.


Сложение плоско-поляризованных волн 2
Когда две волны, плоско-поляризованных в двух перпендикулярных плоскостях, не совпадают по фазе, итоговая волна уже не будет плоско-поляризованной.
На анимации показано сложение двух одинаковых по амплитуде волн с одной длиной волны, поляризованных в двух перпендикулярных плоскостях, движущихся с разностью фаз в 90 градусов. Такая разность фаз означает, что когда одна волна достигает максимальной величины, вторая проходит нулевую отметку.

Как видно, результатом сложения будет особая электромагнитная волна, вектор которой будет вращаться по кругу, а его длина будет оставаться постоянной. Это волна, поляризованная по кругу. Как видно из 3D-анимации, свет круговой поляризации можно представить в виде спирали, и описывается он уравнением круга, а не синусоидой.
Вектор электрического поля здесь вращается против часовой стрелки, если смотреть в направлении распространения света.

Сложение плоско-поляризованных волн 3
На следующей анимации показано, что происходит, когда разность фаз между двумя волнами составляет -90 градусов (вместо +90). Одна волна сдвигается относительно другой на 3/4 длины волны.

Как видно, снова получается волна, поляризованная по кругу, но вектор электрического поля такого света вращается против часовой стрелки, если смотреть в сторону распространения света. Получается правое вращение вместо левого. Таким образом различают правовращающую круговую поляризацию и левовращающую.

Круговая поляризация
Здесь вышеприведенные анимации света с круговой поляризацией сопоставляются, чтобы было легче их сравнивать.

Фронтальные проекции дают следующую картину:


Сложение волн с круговой поляризацией
Выше мы видели, что плоско-поляризованные волны могут складываться. Волны с круговой поляризацией также могут складываться. В этом случае векторы полей складываются по правилам сложения векторов, так же, как в случае плоско-поляризованных волн.
Сложение волн с круговой поляризацией может давать разные результаты. Интереснее всего сложение волн с правой и левой круговой поляризацией. Предположим, что лучи света совпадают по амплитуде и длине волны. На анимации видно, что за результирующая волна получится:

Как видим, получается плоско-поляризованная волна.
Таким образом, мы можем сделать важный вывод: Любая линейно-поляризованная волна может получиться при сложении одинаковых по амплитуде волн с левой и правой круговой поляризацией.

Взаимодействие света и материи
Свет, проникая в материю, может менять свои свойства. Его интенсивность (амплитуда), поляризация, скорость могут меняться. Два основных феномена, наблюдающихся при взаимодействии света и материи – это поглощение (экстинция) и снижение скорости.
Поглощение – это уменьшение интенсивности (амплитуды колебаний) света из-за того, что материя поглощает часть света (интенсивность – это квадрат амплитуды).
Снижение скорости света в материи происходит из-за того, что всем материалам (даже не поглощающим свет) свойственен показатель преломления, означающий, что скорость света в этом материале меньше, чем в вакууме. Показатель преломления равен отношению скорости света в вакууме и в этом материале.

Плоско-поляризованный свет в поглощающей среде
На анимациях показано, что происходит, когда плоско-поляризованный свет проходит через среду, поглощающую свет, но не отражающую его (показатель преломление равен 1). Показан кусочек материала и фронтальные срезы до него и после него.

На следующей анимации – вид спереди. Слева – начальный вектор, справа – после прохождения через материал.

Как видно, когда свет проходит через среду, его интенсивность снижается по экспоненте. После прохождения через среду вектор колеблется в том же направлении, но его амплитуда составляет примерно 36% от первоначальной.

Свет, поляризованный по кругу, при прохождении через поглощающую среду
На анимации показано, что происходит со светом круговой поляризации, когда он проходит через поглощающую среду (с показателем преломления 1).

На следующей анимации – вид спереди. Слева – начальный вектор, справа – после прохождения через материал.

Как видно, когда свет проходит через среду, его интенсивность снижается по экспоненте. После прохождения вектор вращается в том же направлении, но его длина составляет примерно 36% от первоначальной.

Плоско-поляризованные волны в преломляющей среде
На анимации показано, что происходит с плоско-поляризованным светом, когда он проходит через среду с показателем преломления больше 1,0. Мы измеряем вектор поля световой волны до вхождения в материал и после выхода из него.

На следующей анимации показаны фронтальные проекции. Слева - вектор до попадания светового луча в материал, справа – после прохождения материала.

Луч света, попадая в материал с показателем преломления больше 1,0, замедляется. Его частота не меняется, поэтому меняется длина волны (поскольку произведение длины волны на частоту равно скорости волны). При создании этих анимаций мы использовали показатель преломления n=2,2. Это означает, что скорость света в данной среде в 1/2,2 раза ниже скорости света в вакууме, а длина волны в 1/2,2 раза меньше начальной. Когда свет выходит из материала, его скорость и длина волны возвращаются к начальным значениям (в вакууме). Так как материал не поглощает свет, интенсивность света не уменьшается.
Расстояние между плоскостями точно равно 8 длинам волн в вакууме. Следовательно, если материала между этими плоскостями не было бы, фаза волны бы не изменялась, волны совпадали бы по фазе. Но при размещении материала между этими плоскостями свет в нем замедляется и проходит уже не 4, а 8,8 полных периодов. Так что всего получается 12,8 периодов (2 от плоскости до материала и 2 после материала до плоскости). Поскольку число периодов не целое, проекции векторов на плоскостях не совпадают по фазе.

Волны с круговой поляризацией в преломляющей среде
На анимации показано, что происходит с поляризованным по кругу светом, когда он проходит через среду с показателем преломления больше 1,0. Мы измеряем вектор поля световой волны до вхождения в материал и после выхода из него.

На следующей анимации показаны фронтальные проекции. Слева - вектор до попадания светового луча в материал, справа – после прохождения материала.

Происходит почти то же самое, что и с плоско-поляризованным светом: длина волны в среде меньше, чем в вакууме, потому что свет в среде замедляется. Интенсивность света не меняется: на выходе из материала она такая же, как на входе, потому что материал не поглощает.
Однако фаза волны меняется примерно на 72 градуса.
Нетрудно представить, что произойдет при прохождении света через поглощающую И преломляющую среду: длина вектора уменьшится, фаза изменится.

Плоско-поляризованные волны в среде с круговым дихроизмом
Некоторые материалы обладают особыми свойствами: они поглощают свет, поляризованный по левому кругу, не так, как свет, поляризованный по правому кругу. Такое явления называется круговым дихроизмом.
Как мы уже показывали выше, линейно поляризованный свет можно получить наложением света, поляризованного по левому и правому кругу. Если такой свет пройдет через среду с круговым дихроизмом, его свойства изменятся, потому что среда будет поглощать один компонент (левый или правый), не так, как другой.
На анимации показано, что случается, когда плоско-поляризованный свет (с вертикальной плоскостью поляризации, показан голубым цветом) проходит через среду, которая не поглощает компоненту света, поляризованную по левому кругу (красная круговая волна), но сильно поглощает поляризованную по правому кругу (зеленая круговая волна).

На фронтальных проекциях мы увидим такую картину (слева – до вхождения луча в материал, справа – после прохождения материала):

Что мы видим? Красный компонент почти не изменился, а зеленый ослабел: его интенсивность уменьшилась до 36% от первоначальной. Сложение этих двух компонент теперь дает не линейный вектор, а вектор, вращающийся по эллипсоиде. Такой свет называется эллиптически поляризованным светом.
Вы видите, что большая ось эллипса параллельна начальной плоскости поляризации. Так происходит всегда, независимо от того, какая компонента света поглощается больше. А вот направление вращения вектора в эллипсе определяется той компонентой света, которая преобладает после прохождения через материал. В нашем случае – это красная компонента, более интенсивная после прохождения через материал.
Конечно, материалов, вовсе не поглощающих одну из компонент, не бывает. В реальности материал поглощает обе компоненты, но в разной степени. Здесь мы просто для наглядности приняли такое условие.
Насколько эллиптической становится поляризация, зависит от разницы поглощения компонент. В крайних случаях материал почти полностью поглощает одну компоненту и плоско-поляризованный свет становится почти полностью поляризованным по кругу.
Помните: круговой дихроизм превращает плоско-поляризованный свет в эллиптически-поляризованный.

Плоско-поляризованные волны в среде с круговым двулучепреломлением
Существуют материалы с особым свойством: показатель преломления у них для лево-и право-поляризованного по кругу света различается. Это явления называют круговым двулучепреломлением.
Выше мы показали, что линейно-поляризованный свет возникает при сложении света с круговой поляризацией по левому и правому кругу. Когда такой свет проходит через среду с круговым двулучепреломлением, его свойства меняются, поскольку одна из круговых компонент замедляется в материале больше, чем другая.
На анимации показано, что получается, когда плоско-поляризованная (вертикально) волна света (голубая) проходит через материал, который не замедляет красную компоненту, но сильно тормозит зеленую компоненту (для зеленой показатель преломления n=1,05).

На следующей анимации показаны векторы электрической составляющей света до (слева) и после (справа) прохождения через материал.

Как видно, прошедшая через материал волна по прежнему плоско-поляризованная, но ее плоскость поляризации отклонилась от вертикали – повернулась - примерно на 36 градусов.
Какова же причина? Красная компонента света проходит через материал, почти не меняясь, а зеленая замедляется с уменьшением длины волны в среде. На изображении это трудно увидеть, поскольку показатель преломления всего 1,05. Но в результате зеленая волна проходит в материале 4,2 периода вместо 4, поэтому вектор ее отклоняется на 72 градуса в сторону вращения.
Что получается с суммарным вектором? До попадания в среду векторы обеих компонент совпадали – двигались по вертикали. После прохождения через среду ситуация изменилась. Красная компонента осталась вертикальной, а зеленая сместилась на 72 градуса. Суммарный вектор отклонился от вертикали на 36 градусов. Таким образом, сложение двух поляризованных по кругу компонент волны повернуло исходную ось на 36 градусов.
Конечно, в реальности материалы не имеют показателя преломления 1,0 для одной из компонент света, показатель преломления почти всегда больше 1,0 для обеих компонент. Мы упростили картину для большей наглядности.
Угол поворота плоскости поляризации зависит от разности показателей преломления для двух круговых компонент света (и длины пути по материалу). Если разность достаточно велика, а кусочек материала достаточно толстый, плоскость поляризации может совершить несколько оборотов по кругу.
Помните: двулучепреломляющий материал вращает плоскополяризованный свет.

Материалы, которые вращают плоскость поляризации проходящего через них света (явление оптического вращения), называются оптически активными. Причиной оптической активности может быть двулучепреломление или круговой дихроизм.

Плоско-поляризованные волны в среде с круговым дихроизмом и двулучепреломлением
В реальности очень мало материалов, которые обладали бы круговым дихроизмом, но были лишены способности кругового двулучепреломления, или наоборот. Обычно эти свойства сочетаются.
На анимации показано, что происходит, когда плоско-поляризованная волна (голубая) проходит через среду с круговым дихроизмом и круговым двулучепреломлением. Красная компонента света не меняется, а зеленая поглощается и преломляется.



Как ожидалось, падающий свет меняется двояким образом: из-за кругового дихроизма он приобретает эллиптичность, из-за кругового двулучепреломления плоскость поляризации вращается. Так что падающий свет перестает быть плоско-поляризованным, становится эллиптическим, и большая ось эллипса отклоняется от вертикали.
Эллиптичность зависит от разности поглощения левой и правой компонент круговой поляризации. Угол наклона большой оси эллипса зависит от разности показателей преломления левой и правой компонент.
Можно измерить эти показатели с помощью специальных приборов и рассчитать нужные величины.
Круговой дихроизм и круговое двулучпреломление зависят от асимметрии молекул вещества. Оптическая активность растворов биологических макромолекул позволяет судить об их структуре.

Tags: Свет
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic
  • 6 comments