Поляризація світла. Поляроїди#
Людське око здатне розрізняти дві основні характеристики світлового випромінювання: колір, що визначається довжиною світлової хвилі, та інтенсивність (енергетичний рівень світлового потоку). Існує також третя важлива властивість світла — ступінь поляризації, яку людське око, на відміну від зорового апарату деяких комах, зокрема бджіл, не сприймає. Явище поляризації світла є безпосереднім доказом того, що світло являє собою поперечну хвилю.
Природне світло#
Електромагнітна світлова хвиля описується двома взаємно перпендикулярними векторами: вектором напруженості електричного поля \(\vec{E}\) та вектором магнітної індукції \(\vec{B}\). Поверхню, де відбуваються коливання вектора \(\vec{E}\), називають площиною коливань електричного вектора або площиною поляризації.
Коли окремий атом або молекула випромінює електромагнітну хвилю, орієнтація площин коливань векторів \(\vec{E}\) та \(\vec{B}\) залишається сталою (рис. 1). Однак будь-яке джерело світла складається з мільярдів окремих випромінювачів. Процеси випромінювання в різних атомах відбуваються незалежно один від одного, тому орієнтація площин коливань векторів \(\vec{E}\) від різних випромінювачів є хаотичною. У загальному світловому потоці від реального джерела містяться хвилі з усіма можливими орієнтаціями площин коливань, причому середня амплітуда коливань векторів \(\vec{E}\) у всіх напрямках, перпендикулярних до напрямку поширення світла, однакова. Таке випромінювання називають природним або неполяризованим світлом. До нього належить випромінювання Сонця, світло від ламп розжарювання, флуоресцентних ламп та більшості штучних джерел.
Рис. 1. Поляризація світла. Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0, Link
Якщо на шляху природного світла розташувати спеціальний пристрій - поляризатор, який пропускає лише ті світлові коливання, в яких вектор \(\vec{E}\) знаходиться в певній площині, то світло, що пройшло крізь нього, матиме коливання векторів \(\vec{E}'\) тільки в одній фіксованій площині, перпендикулярній до напрямку руху хвилі. Таке світло називають плоскополяризованим або лінійно поляризованим (варто зазначити, що існують й інші типи поляризації, які ми поки розглядати не будемо).
Як отримати поляризоване світло#
Розглянемо кілька методів отримання поляризованого світла.
Ще у XVII столітті вчені виявили цікаве явище: монокристал ісландського шпату (різновид кальциту) розділяє промінь світла на два окремих промені. Це явище, яке спостерігається в багатьох природних кристалах, отримало назву подвійного променезаломлення. Дослідники встановили, що при спробі створити інтерференційну картину шляхом поєднання цих двох променів результат відсутній, незважаючи на їхню когерентність. Пояснюється це тим, що обидва промені виявляються поляризованими в перпендикулярних площинах: у першому промені коливання вектора \(\vec{E}\) відбуваються в площині, що співпадає з площиною поширення світла (на схемі показано стрілками), а в другому промені — у площині, перпендикулярній до напрямку поширення (позначено точками).
З монокристала турмаліну можна виготовити тонку пластинку, вирізану вздовж його оптичної осі. Така пластинка пропускатиме тільки ті електромагнітні хвилі, в яких напрямок коливань вектора \(\vec{E}\) паралельний оптичній осі кристала. Цей ефект легко продемонструвати за допомогою другої аналогічної пластинки, обертаючи її в площині, паралельній до першої.
При збільшенні кута між оптичними осями двох кристалічних пластинок інтенсивність світла, що проходить через обидві пластинки, зменшується. У випадку, коли оптичні осі розташовані перпендикулярно одна до одної, світло повністю блокується - воно поглинається другою пластинкою. У такій системі перша пластинка функціонує як поляризатор, а друга - як аналізатор: поляризатор відфільтровує з природного світла компоненту з певною площиною коливань вектора \(\vec{E}\), а аналізатор виявляє орієнтацію площини коливань у поляризованому світлі. Обидва пристрої - поляризатори та аналізатори - називають загальним терміном поляроїди.
У сучасній техніці в якості поляроїдів застосовують спеціальні поляризаційні плівки, які наносять на скляну або целулоїдну основу, наприклад, плівки, що містять мікрокристали герапатиту.
При відбитті та заломленні світла на межі діелектрика відбувається часткова поляризація. У відбитому промені вектор \(\vec{E}\) переважно орієнтований перпендикулярно до площини падіння, тоді як у заломленому промені він здебільшого розташований у площині падіння.
Закон Брюстера встановлює: для кожної пари прозорих середовищ існує такий кут падіння \(\alpha_b\), при якому відбите світло стає повністю плоскополяризованим:
де \(n_{21}\) - відносний показник заломлення другого середовища відносно першого.
Цей закон названий на честь шотландського вченого-фізика Девіда Брюстера (1781–1868), який відкрив цю закономірність у 1815 році.
Цей особливий кут називають кутом Брюстера. При падінні під кутом Брюстера відбитий та заломлений промені утворюють прямий кут між собою.
Поляризація відбитого світла (наприклад, відблисків від водної поверхні чи скляних вітрин) дозволяє розробляти ефективні методи боротьби з небажаними відблисками. Спостерігаючи за відблиском через поляризаційний фільтр та обертаючи його, можна знайти положення, при якому відблиск значно послаблюється або повністю зникає. Саме тому поляризаційні фільтри широко використовуються у фотографії, при виробництві сонцезахисних окулярів та автомобільного вітрового скла - вони ефективно пригнічують яскраві відблиски від скляних поверхонь, води та мокрого дорожнього покриття.