Поляризация - что это такое простыми словами

Поляризация света - удивительное и загадочное оптическое явление. Хотя оно было открыто более 300 лет назад, до сих пор ученые продолжают изучать его природу и находить новые области применения. Давайте разберемся, что же такое поляризация, откуда она берется и почему так важна в современном мире.

История открытия явления поляризации света

В 1669 году датский ученый Расмус Бартолин обнаружил, что луч света при прохождении через кристалл исландского шпата расщепляется на два луча. Это явление он назвал двойным лучепреломлением . Однако Бартолин не смог дать ему объяснение.

Через 20 лет голландский физик Христиан Гюйгенс заинтересовался этим открытием. Опираясь на свою волновую теорию света, он сумел объяснить двойное лучепреломление и ввел понятие оптической оси кристалла. Гюйгенс подошел вплотную к открытию поляризации света, но последнего шага так и не сделал.

Решающие опыты по исследованию поляризации света были проведены в 1808 году французским физиком Этьеном Малюсом. Глядя сквозь кристалл исландского шпата на отражение солнечных лучей от окон дворца, Малюс обнаружил, что при определенном положении кристалла было видно только одно изображение вместо двух.

• На основе своих наблюдений Малюс выдвинул корпускулярную теорию поляризации света.
• Эта теория объяснила известные к тому времени поляризационные явления.
• Открытие Малюса считалось опровержением волновой теории света.

Однако в 1815 году Ампер и Юнг опровергли теорию Малюса, предположив, что эфир совершает поперечные колебания. А в 1821 году Огюстен Жан Френель создал волновую теорию поляризации света, окончательно решив этот вопрос.

Что такое поляризация света простыми словами и каково ее значение

Поляризация света - это направленное колебание векторов напряженности электрического (E) и магнитного (H) полей световой волны. Различают несколько видов поляризации:

1. Линейная - колебания происходят в одной плоскости.
2. Эллиптическая - конец вектора амплитуды описывает эллипс.
3. Круговая (циркулярная) - конец вектора амплитуды описывает окружность.

Поляризация света может возникать при отражении, преломлении или рассеянии света. Часто для иллюстрации этого явления приводят пример с двумя скрещенными турмалиновыми кристаллами, которые то пропускают, то не пропускают свет в зависимости от их взаимной ориентации.

Термин "поляризация" связан с тем, что колебания световой волны приобретают определенную "направленность", как бы "поляризуются" вдоль конкретного направления. Это направление определяется плоскостью поляризации.

Математическое описание поляризованной волны

Для математического описания поляризации света обычно используют формулы Френеля. Они задают эллиптически поляризованную гармоническую волну в параметрической форме:

Здесь a и b - полуоси эллипса, δ - разность фаз между колебаниями по осям X и Y, ω - циклическая частота, t - время. При специальных значениях параметров получаются частные случаи:

• линейная поляризация: a = const, b = 0 или a = 0, b = const
• круговая поляризация: a = b, δ = ±π/2

Также для описания состояния поляризации фотона используется вектор Джонса. Он позволяет учесть квантовые эффекты, связанные с поляризацией.

Важной характеристикой является также ^{влияние} поляризации на интерференцию волн. Волны с _{ортогональными} поляризациями не интерферируют между собой. Это свойство часто используется на практике.

Получение и восприятие поляризованного света

Для получения поляризации света используются специальные оптические устройства - поляризаторы. Это могут быть различные кристаллические пластинки, призмы Николя или Поляроид. Поляризаторы преобразуют неполяризованный или частично поляризованный свет в линейно или кругово поляризованный.

Для анализа состояния поляризации применяют анализаторы - устройства, чувствительные к определенному типу поляризации. Это могут быть те же поляризаторы, но ориентированные иначе. Важнейшей характеристикой является закон Малюса, связывающий интенсивность прошедшего через анализатор света с углом между плоскостями поляризации.

Принцип работы жидкокристаллических экранов

Одним из важнейших практических применений поляризации света являются современные жидкокристаллические (ЖК) дисплеи. Их работа основана на эффекте переориентации молекул ЖК-слоя под действием электрического поля. Это изменяет его оптические свойства, в том числе способность пропускать линейно поляризованный свет, прошедший через дополнительный поляризатор.

Поляризация при отражении и преломлении света

Отражение и преломление света на границе раздела двух сред также могут приводить к поляризации. Степень поляризации при этом зависит от соотношения показателей преломления сред и угла падения света согласно формуле Френеля.

Это свойство используется некоторыми насекомыми для навигации. Например, пчелы различают поляризацию света неба и определяют по ней направление на солнце даже в пасмурную погоду.

Применение поляризации радиоволн на практике

Интересные особенности проявляет поляризация при распространении радиоволн. Здесь выделяют поперечную электрическую (E, TM) и поперечную магнитную (H, TE) поляризации. Их свойства и применение в радиотехнике сильно различаются.

Например, на круговой или линейной поляризации основан принцип работы спутниковых антенн. А использование ортогональных поляризаций позволяет передавать по одному каналу сразу два информационных сигнала без взаимных помех.

Применение поляризации света в оптических приборах

Важнейшей областью использования поляризации света являются оптические измерительные приборы и микроскопы. Так, поляризационная микроскопия позволяет исследовать внутреннюю структуру прозрачных объектов по ее влиянию на состояние поляризации проходящего света.

Принцип действия основан на анизотропии свойств некоторых материалов, в частности двойного лучепреломления в кристаллах. Анализируя изменение поляризации, можно получить информацию о микроструктуре и напряжениях в образце.

Применение в 3D-кино и стереофотографии

Уникальной особенностью поляризации света является возможность одновременной передачи в одном луче двух различаемых изображений. Это используется в технологиях 3D-кино, например IMAX, где изображения для левого и правого глаза кодируются ортогональными линейными поляризациями.

Аналогичный подход применяется и в стереофотографии - съемке специальными камерами для последующего получения объемного изображения. Здесь также задействована поляризация света от снимаемых объектов.

Прочие области использования поляризации

Поляризация света нашла применение и в других областях науки и техники. Она используется, например, в оптоволоконных способах связи для уменьшения затухания сигнала. В астрономии по поляризации излучения звезд и планет судят об их свойствах. Поляризационные светофильтры широко применяются в оптике для устранения бликов и повышения контрастности.

Кроме того, поляризация используется в охранных голограммах на документах и банкнотах, поскольку трудновоспроизводима на копиях. Также ее применение возможно в оптической памяти и квантовых вычислениях.