Поляризованный и естественный свет: понятие, отличия, законы

Сегодня поговорим о поляризованном и естественном свете. В чем их отличия и как создается поляризация при прохождении сквозь вещество.

Свет – это волна

Прежде чем приступать к более сложным понятиям, надо сначала объяснить, что же такое свет?

Уже очень давно опыты с отражением и преломлением убедили ученых: свет имеет природу волны, то есть является колебанием какого-то поля. Например, Гюйгенс вывел, а Френель дополнил принцип. Согласно последнему, каждая точка среды, до которой дошел фронт волны, становится вторичным источником света. Но поляризованный и естественный свет различаются не только потому, что они волны. Ньютон считал: лучи состоят из неких наименьших частиц – корпускул. Таким образом, он предвосхитил квантовую теорию наименьших элементов нашего мира, к ним относятся и фотоны.

Корпускулярно-волновой дуализм

Опыты Лебедева убедили научный мир: свет способен оказывать давление на окружающие вещи. Перед исследователем возникло множество технических сложностей. Несмотря на это, он доказал, что фотоны света передают поверхностям ненулевой импульс, когда встречают преграду. Данное явление поставило ученых в тупик. Как можно было увязать волновые свойства и материальность массы воедино?

В итоге исследователям пришлось признать: любая элементарная частица – это одновременно и волна, и материальный объект. Фотоны имеют как признаки осциллятора (длину волны, частоту и амплитуду), так и характеристики материального вещества (массу, импульс и энергию). Это и есть принцип корпускулярно-волнового дуализма. Также требовалось понять, как именно существует и движется в пространстве, казалось бы, бесконечная волна с конечной массой. На помощь пришло понятие «квант» – это наименьший пакет некоего общего целого, который перемещается и взаимодействует с веществом. Например, поляризованный и естественный свет являются квантами электромагнитного поля. Но такая среда не единственная, подверженная квантованию. Существуют также кванты:

• гравитационного поля (гравитоны предсказаны только теоретически, к доказательству их существования ученые уже подошли очень близко);
• глюонного поля (глюоны, в отличие от гравитонов, найдены);
• коллективного взаимодействия узлов кристаллической решетки твердого тела (фононы, например, отвечают за превращение электромагнитного излучения в кристаллах в звук).

Однако чтобы представить, почему свет поляризуется, описанных выше знаний недостаточно. Требуется напрячь пространственное воображение.

Как поляризуется свет?

Как мы уже объясняли выше, свет – это волна. Но электромагнитные колебания, в отличие от морских, не просто перемещают поле вверх-вниз. Направление распространения волны показывает волновой вектор. Вектор амплитуды способен вращаться вокруг волнового. Типов этого вращения может быть множество. Под вектором амплитуды понимается направление, в котором движется амплитуда волны в данный момент времени.

Любой протяженный источник типа лампы накаливания или Солнца генерирует фотоны всех возможных видов. Вектор амплитуды направлен у такого излучения хаотически. А теперь представьте себе цилиндр. Он движется вперед вдоль своей главной оси, но при этом вращается вокруг нее. И точка на боку цилиндра покажет форму движения вектора амплитуды циркулярно поляризованной волны. С пространственными построениями связано еще одно понятие – «световой вектор». Оно обозначает направление плотности потока. Эта величина задает интенсивность и направление переноса световой энергии. Используется данный термин нечасто, как правило, в прикладных технических текстах, в которых решается проблема освещения конкретных мест лампами или прожекторами. Книги по физике, например, учебники и справочники обходятся более простыми и фундаментальными понятиями.

Почему поляризуется свет?

Фотоны излучаются, когда электроны в атомах переходят из более высокого в более низкое положение. Рассмотрим один-единственный фотон, испущенный каким-нибудь атомом. Характеристика такого кванта совершенно конкретна. Этот фотон будет колебаться в определенном направлении, а вектор его амплитуды будет лежать в одной плоскости. Таким образом, одиночный фотон всегда поляризован линейно. Следовательно, один из способов получения поляризованного света – когерентное вынужденное излучение множества одинаковых атомов. Но такой метод не всегда применим, а соответствующие устройства (лазеры) не всем доступны. Однако свет Солнца или обычной лампы накаливания получить достаточно просто. Чтобы их поляризовать, надо поставить на пути излучения такую преграду, которая пропускает дальше только один вид колебаний, а все остальные задерживает. Так что другие способы получения поляризованного света связаны с созданием фильтров для естественного излучения.

Как правило, на такое способны кристаллы с заданным строением или полимерные мембраны, в которых волокна расположены в определенном направлении. Первым естественным поляризатором, обнаруженным учеными, стал кристаллический кварц из Исландии, так называемый исландский шпат. А первым искусственным поляризатором была органическая мембрана с добавлением ионов йода. Сейчас в промышленных масштабах используют поляроидные пленки, зажатые между двумя плоскими стеклами.

Виды поляризованного света

Чуть выше мы уже приводили циркулярную поляризацию и ее распределение колебаний в пространстве. Но существуют и другие виды поляризации. Как читатель наверняка уже понял, поляризованный и естественный свет взаимопроникают друг в друга: первый легко получить из второго.

Поляризация электромагнитных волн бывает по форме:

• круговой (циркулярной);
• линейной;
• эллиптической.

Также по степени изменения поляризация бывает:

• полной;
• частичной.

Поляризация, отличная от линейной, – это свойство коллективное, а не индивидуальное. Другими словами, один-единственный фотон не может быть поляризован эллиптически, для этого требуется некоторое количество квантов света. Именно поэтому при математических манипуляциях эллиптически и циркулярно поляризованный свет раскладывают на две перпендикулярные составляющие.

Примеры частичной поляризации

Примером частичной поляризации может служить свет Солнца, который прошел сквозь атмосферу Земли. Толстый слой смеси газов все время находится в движении, какие-то участки уплотняются, другие – разрежаются.

Эти уплотнения рассеивают часть электромагнитных колебаний, так что до поверхности планеты свет доходит частично поляризованным. Но степень этих изменений мала: законы поляризованного света применяются только в очень точных астрономических расчетах. В остальных случаях излучение Солнца на поверхности Земли считается естественным.

Вращение поляризатора

На пути естественного света нужно поставить соответствующий фильтр, чтобы получить поляризацию. После фильтра вектор амплитуды электромагнитного излучения будет колебаться только одним способом, например, линейно. Но что произойдет, если на пути уже измененного потока света поставить другой поляризатор?

Вариантов два:

1. Ось пропускания второго поляризатора сонаправлена с осью первого. В этом случае свет просто пройдет второй фильтр, как бы не «заметив» его.
2. Ось пропускания второго фильтра располагается под углом к оси первого. Чтобы получить результат, необходимо применить закон Малюса для поляризованного света.

Формулы и их интерпретацию приведем ниже.

Закон Малюса

Если читателю кажется, что два поляризатора – это такая игра, что-то вроде упражнения для ума, то он ошибается. С помощью второго фильтра можно определить направление и степень поляризации потока света. Эти данные используют как непосредственно, например, при оценке свойств далеких галактик и туманностей, так и опосредованно, для оценки качества поверхностей.

Закон Малюса для поляризованного света выражается формулой:

• I = k х I₀ х cos²φ, где
  I – интенсивность конечного потока света,
  I₀ – начального,
  k – коэффициент пропускания поляризатора,
  φ – угол между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора.

Для релятивистского случая добавляются циклические частоты поляризованных волн. Но эти компоненты учитываются, только если источник света движется со скоростью, близкой к скорости света. Для применения расширенной формулы Малюса не обязательно преодолевать триста тысяч километров в секунду. Релятивистской считается скорость, равная одному проценту от скорости света в вакууме.

Однако дотошный читатель спросит: «А как же быть с циркулярной и эллиптической поляризацией?» Как мы уже упоминали выше, ответ прост. Необходимо представить этот вид поляризации как сумму двух линейно поляризованных волн.

Сложности восприятия поляризации как понятия

Надеемся, мы прояснили для читателей понятия естественного и поляризованного света. Однако избежать трудностей в пространственном восприятии этих понятий невозможно. Что же необходимо сделать, чтобы осознать, как вращается вектор амплитуды?

Первым барьером может стать непонимание, что такое вектор. Прежде всего, это направление движения. Когда человек ведет машину, вектор его движения – это то, куда направлен нос автомобиля и в какую сторону развернуты шины, а не куда смотрят глаза человека. Если бы все водители поняли это, возможно, на наших дорогах было бы меньше аварий. Как мы уже упоминали, в случае волны вектор амплитуды – это направление, в котором «колеблется» волна в конкретный момент времени.

Второй барьер может заключаться в непонимании процессов излучения. Для восполнения пробелов стоит вспомнить, что такое электронные уровни в атомах и почему переход между ними сопровождается либо излучением, либо поглощением энергии. Поняв, откуда берутся фотоны, читатель, возможно, лучше разберется в поляризации света.

Естественный и поляризованный свет отличаются ненамного. Если для человека непонятно, почему, мы еще раз повторим: получить поляризованный свет сразу при излучении довольно непросто. Но выделить изо всех возможных хаотически направленных колебаний естественного света только некоторые конкретные гораздо проще. Сделать это можно с помощью специальных кристаллических или полимерных веществ.