Поляризация
Поляризация света для
В нашем блоге уже можно найти статьи про преломление, дисперсию и дифракцию света. Теперь пришло время поговорить о том, в чем заключается сущность поляризации света.
В самом общем смысле правильнее говорить о поляризации волн. Поляризация света, как явление, представляет собой частный случай поляризации волны. Ведь свет представляет собой электромагнитное излучение в диапазоне, воспринимаемом глазами человека.
Что такое поляризация света
Поляризация – это характеристика поперечных волн. Она описывает положение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Если этой темы не было на лекциях в университете, то вы, вероятно, спросите: что это за колеблющаяся величина и какому направлению она перпендикулярна?
Как выглядит распространение света, если посмотреть на этот вопрос с точки зрения физики? Как, где и что колеблется, и куда при этом летит?
Электромагнитная волна
Свет – это электромагнитная волна, которая характеризуется векторами напряженности электрического поля E и вектором напряженности магнитного поля Н. Кстати, интересные факты о природе света можно узнать из нашей статьи.
Согласно теории Максвелла, световые волны поперечны. Это значит, что векторы E и H взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны.Поляризация наблюдается только на поперечных волнах.
Для описания поляризации света достаточно знать положение только одного из векторов. Обычно для этого рассматривается вектор E.
Если направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, свет называется поляризованным.
Возьмем свет на рисунке, который приведен выше. Он, безусловно, поляризован, так как вектор E колеблется в одной плоскости.
Если же вектор E колеблется в разных плоскостях с одинаковой вероятностью, то такой свет называется естественным.
Поляризация света
Поляризация света по определению – это выделение из естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Откуда берется поляризованный свет?
Свет, который мы видим вокруг себя, чаще всего неполяризован. Свет от лампочек, солнечный свет – это свет, в котором вектор напряженности колеблется во всех возможных направлениях. Но если вам по роду деятельности приходится весь день смотреть в ЖК-монитор, знайте: вы видите поляризованный свет.
Естественный, поляризованный и частично поляризованный свет
Чтобы наблюдать явление поляризации света, нужно пропустить естественный свет через анизотропную среду, которая называется поляризатором и «отсекает» ненужные направления колебаний, оставляя какое-то одно.
Анизотропная среда – среда, имеющая разные свойства в зависимости от направления внутри этой среды.
В качестве поляризаторов используются кристаллы. Один из природных кристаллов, часто и давно применяемых в опытах по изучению поляризации света — турмалин.Еще один способ получения поляризованного света — отражение от диэлектрика. Когда свет падает на границу раздела двух сред, луч разделяется на отраженный и преломленный. При этом лучи являются частично поляризованными, а степень их поляризации зависит от угла падения.
Поляризация отражением
Связь между углом падения и степенью поляризации света выражается законом Брюстера.
Когда свет падает на границу раздела под углом, тангенс которого равняется относительному показателю преломления двух сред, отраженный луч является линейно поляризованным, а преломленный луч поляризован частично с преобладанием колебаний, лежащих в плоскости падения луча.
Линейно поляризованный свет — свет, который поляризован так, что вектор E колеблется только в одной определенной плоскости.
Практическое применение явления поляризации света
Поляризация света – не просто явление, которое интересно изучать. Оно широко применяется на практике.
Пример, с которым знакомы почти все – 3D-кинематограф. Еще один пример – поляризационные очки, в которых не видно бликов солнца на воде, а свет фар встречных машин не слепит водителя. Поляризационные фильтры применяются в фототехнике, а поляризация волн используется для передачи сигналов между антеннами космических аппаратов.
Фото, сделанные с применением поляризационного фильтра и без него
Поляризация — не самое сложное для понимания природное явление. Хотя если копнуть глубоко и начать основательно разбираться с физическими законами, которым она подчиняется, могут возникнуть сложности.
Чтобы не терять время и преодолеть трудности максимально быстро, обратитесь за советом и помощью к нашим авторам. Мы поможем выполнить реферат, лабораторную работу, решить контрольные задания на тему «поляризация света».
Поляризационное разделение ракурсов
В данном разделе кратко изложены теоретические основы поляризационного разделения ракурсов.Информация сжата до минимума, поэтому если вас интересует физически корректное представление материала — прошу изучить соответствующие разделы физики в книгах или статьях.
Видимый свет, благодаря которому мы получаем информацию об окружающем нас мире, — это узкий диапазон электромагнитного излучения с длинами волн от 400 нм до 750 нм.
В электромагнитной волне вектора напряжённости электрического поля E и напряжённости магнитного поля Н перпендикулярны друг другуи лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, поэтому очень часто в поясняющих рисунках оставляют только вектор E,перпендикулярный вектор H подразумевается.
Во всех процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет вектор напряжённости электрического поля E,поэтому его называют световым вектором.
| Неполяризованный свет или естественный свет, испускаемый обычными источниками(например, солнечный свет, излучение ламп накаливания и т. п.), состоит из огромного числа волн, колеблющихся с различной частотой,с различной амплитудой и с различной ориентацией светового вектора.Распределение светового вектора E по углам симметрично относительно направления распространения волны.Схематично естественный свет можно представить рисунком слева. |
| Частично поляризованный свет — то же, что и естественный, но распределение светового вектора E по углам несимметрично.Частично поляризованный свет характеризуется такой величиной, как степень поляризации — отношением Emax к Emin.Для естественно поляризованного света степень поляризации равна единице. |
| Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, такую волну называют линейно-поляризованной или плоско-поляризованной. Плоскость, в которой колеблется световой вектор называется плоскостью колебаний (плоскость yz на рисунке), а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор – плоскостью поляризации (плоскость xz на рисунке).Линейно поляризованного света в природе не существует. Это — математическая абстракция. Говоря о линейно поляризованном свете, в действительности имеют в виду частично поляризованный свет с высокой степенью поляризации, то есть когда нелинейные составляющие пренебрежимо малы. Границу пренебрежения устанавливают в зависимости от решаемой задачи. |
| Если вдоль одного и того же направления распространяются две монохроматические волны, поляризованные в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, то в результате их сложения в общем случае возникает эллиптически-поляризованная волна. В эллиптически-поляризованной волне в любой плоскости P, перпендикулярной направлению распространения волны (в данном случае эта плоскость = xy), конец результирующего вектора за один период светового колебания обегает эллипс, который называется эллипсом поляризации. Форма и размер эллипса поляризации определяются амплитудами ax и ay линейно-поляризованных волн и фазовым сдвигом Δφ между ними. Стоит отметить, что по знаку фазового сдвига различают левую и правую поляризацию. Частным случаем эллиптически-поляризованной волны является волна с круговой поляризацией (ax = ay, Δφ = ± π / 2). |
Поляризационные фильтры
У многих кристаллов поглощение света сильно зависит от направления электрического вектора в световой волне.Это явление называют дихроизмом.
Этим свойством, в частности, обладают пластины турмалина, использованные ещё в опытах Малюса.
При определенной толщине пластинка турмалина почти полностью поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн(например, Ex) и частично пропускает вторую волну (Ey).
В настоящее время широко применяются искусственные дихроичные плёнки, которые называются поляроидами.Поляроиды почти полностью пропускают волну ‘разрешённой’ поляризации и не пропускают волну, поляризованную в перпендикулярном направлении.Таким образом, поляроиды можно считать идеальными поляризационными фильтрами.
Поляроиды можно использовать как для поляризации естественного света, так и для фильтрации уже поляризованного света.На паре поляроидов можно наглядно продемонстрировать их работу — при вращении одного относительно другого на 90 градусовможно наблюдать практически полное затухание проходящего через них света.
Изменение поляризации света при отражении от поверхностей прозрачных сред
Среды, не поглощающие волны видимого диапазона, мы воспринимаем как прозрачные — это стекла, вода, воздух, хрусталь,бриллианты и много других бесцветных кристаллов.Для гладких поверхностей (неровности много меньше длины волны) законы отражения и преломления хорошо изучены.Однако оказалось, что степень отражения/поглощения световой волны может сильно зависеть от поляризации волны.
Например стекло, опытным путём было определено, что при угле падения 57 градусов отражаются световые волны с поляризациейтолько в одной плоскости — то есть отражённый свет полностью поляризован (степень поляризации 103-104).Этот угол называется углом Брюстера (и для стекла он равен 57 градусам).
Этот эффект давно научились использовать фотографы — если направить объектив под углом Брюстера к стеклу,то поворотом поляроида можно полностью убрать блики!А используя тот же приём для водной поверхности (угол Брюстера равен 53 градусам) — можно заснять подводный мир.При углах падения света, отличных от угла Брюстера, свет поляризуется лишь частично, и вы не сможете убрать блики полностью.
Изменение направления поляризации света в жидких кристаллах
ЖК-мониторы уже давно вошли в нашу обыденную жизнь, и вы наверное даже и не догадываетесь, что принцип их работы напрямую связан с поляризацией света.ЖК-монитор состоит из огромного числа маленьких пикселей.
Каждый такой пиксель состоит из триады раскрашенных жидко-кристаллических ячеек (красной, зелёной и синей).С двух сторон от жидкокристаллической панели приклеиваются линейные поляризаторы.
Сзади располагается подсветка (сами ЖК-ячейки не светятся).
Проходя через первую поляризационную плёнку, свет поляризуется.Напряжение на жидко-кристаллической ячейке заставляет сворачиваться её в спираль, при этом происходит изменение направления поляризации поляризованного света.
После прохождения поляризованного света через вторую поляризованную плёнку происходит снижение интенсивности.Управляя напряжением на ячейке меняют угол ‘сворачивания’ плоскости поляризации света.Таким способом управляют интенсивностью свечения отдельной ячейки.3 ячейки смешиванием образуют цвет пикселя а весь монитор — полное изображение.
Важным следствием является тот факт, что на выходе любого цветного ЖК-монитора мы получаем поляризованный свет.
Практические способы разделения ракурсов
Для разделения ракурсов, построения стереосистемы используется комбинация или одно из описанных выше свойств поляризованного света в различных средах:
- затемнение поляризованного света с помощью фильтров (всегда используется для очков);
- отражение поляризованного света;
- изменение направления поляризации уже поляризованного света (iZ3D, Perceiva DSD190).
Каждый ракурс источника поляризуется, а наблюдатель вооружается компактными очками.Различают два основных способа поляризации для стерео:
- линейная, линейные поляризаторы для каждого ракурса располагаются перпендикулярно;
- круговая, фильтры для каждого ракурса поляризуются в разных направлениях (отрицательный/положительный сдвиг фазы);
При использовании линейных фильтров, очки должны располагаться всегда в одном положении — при изменении угла фильтрыпропускают часть противоположно-поляризованного света — другой ракурс, образуется гхост.
Причём сильное взаимопроникновение ракурсов происходит уже при малых углах наклона.
При использовании круговой поляризации головой можно крутить свободно, что является основным преимуществом её перед линейной для стерео, однако она обходится дороже.
Как известно, идеально поляризованного света не бывает, а значит не бывает идеальных фильтров.
Для достижения большего затухания нежелательного ракурса толщину поляроида увеличивают,что сказывается на уровне поглощения света в целом — понижается контраст, а для круговой поляризации ещё сильнее(круговые фильтры представляют собой линейный поляризатор + прослойку для разделения линейно поляризованного светана две перпендикулярные волны света с круговой поляризацией).Хорошие очки с линейными поляризационными фильтрами при одинаковом уровне затемнения ‘паразитного’ ракурса в разы выигрывают по контрасту очкам с круговыми фильтрами.
Поляризация света: основные понятия
Представляя собой одну из разновидностей электромагнитного излучения, свет может характеризоваться источником и определенной направленностью. Помимо этого, не стоит забывать о его двойственности. Так, в первом случае он будет считаться волной, а во втором – частицей (фотоном).
Рисунок 1. Поляризация света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Определение 1
Поляризация света является одним из свойств какого-либо излучения в рамках оптического диапазона. В условиях такого явления, как поляризация, колебания частиц светового луча, которые направлены на поперечную поверхность, будут осуществляться в одинаковой плоскости. При этом отсекаются иные составляющие.
Понятие поляризации света
Понять суть поляризации света будет легче на конкретных примерах. Так, можно представить очень длинную, расположенную между двумя горизонтальными точками веревку, проходящую в пластине-щите сквозь щель.
Если взять теперь веревку за один конец и сформировать волны, они легко достигнут ее другого конца (но только в том случае, если образуются в одной плоскости со щелью в щите), то есть вертикальным способом.
Попытка двигать веревку вертикальным способом закончится гашением волн при достижении щита (из-за невозможности протиснуться поперек щели).
Таким образом, в данном примере веревка выступает в роли электромагнитного излучения, щит становится прозрачной (полупрозрачной) средой, а щель – специфичным свойством среды.
Ничего непонятно?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
Поскольку свет представляет собой электромагнитную волну, она будет зависимой от двух типов векторов напряженности: электрического и магнитного. Они, в свою очередь, обладают свойством постоянной перпендикулярности по отношению друг к другу и могут формировать условную плоскость перпендикулярно линии распространения самой волны.
Круговая поляризация света возникает в случае вращения векторов магнитной индукции и электрического поля относительно направления луча света. В случае колебаний вектора напряженности такого поля в одинаковой плоскости, формируется плоско поляризованная электромагнитная волна (линейно-поляризованная).
Интересно, что излучение атомами одного-единственного светового кванта света будет всегда поляризовано. Наряду с тем, световой поток свечи, лампочки, Солнца, фонаря и пр. окажется неполяризованным, что объясняется излучением от множества атомов, имеющих различную поляризацию. Это лишает суммарный поток ориентированности.
Замечание 1
Поляризация света существенно зависит от особенностей вещества или местоположения атомов в его кристаллической решетке. Первые опыты проводились учеными с задействованием кристаллов, и только впоследствии объектом их внимания стали газообразные среды (атмосфера).Поляризация света также зависит от местоположения наблюдателя (фотоэлемента, датчика и пр.).
Это, в свою очередь, объясняет возрастание поляризации при увеличении угла между направлением света от источника и указывающим на направленность луча зрения вектором.
В случае факта параллельности направлений мы наблюдаем уже отсутствие поляризации (при идеальных условиях). Также в природе зафиксирован третий вариант (имеется в виду частичная поляризация светового потока).
Подобная конфигурация возникает в случае преобладающего эффекта колебаний электрического поля (магнитной индукции) их векторов.
Интересным фактом является то, что человеческий глаз легко различает длину волн (цветовой аспект света) и ее интенсивность, а вот сама регистрация поляризации при этом доступна косвенно.
Наряду с тем, большинство насекомых, имеющих фасеточные глаза, способны прекрасно различать поляризацию волны, что, в свою очередь, помогает им отлично ориентироваться в пространстве.
Явление поляризации света в природе
Поляризованный свет является световыми волнами, чьи электромагнитные колебания способны распространяться исключительно в одном направлении. В природе различают только три вида поляризации:
- линейную (плоскостную);
- круговую;
- эллиптическую.
При линейно поляризованном свете электрические колебания будут производиться исключительно в одном направлении. Он появляется при отражении, от листа стекла, например, или от поверхности воды. Также известны примеры с прохождением света через определенные виды кристаллов (турмалин, кварц).
Замечание 2
Поляризация света, таким образом, превращается в процесс упорядочивания колебаний вектора напряжённости электрополя световой волны в условиях прохождения светового потока сквозь некоторые вещества (преломление или отражение светового луча). Плоскость поляризации, в таком случае, будет представлять собой плоскость, которая проходит сквозь направление колебаний вектора света плоскополяризованной волны и ее распространения.
Излучаемый атомом квант света будет поляризован всегда.
При этом, излучение макроскопического источника света, такого как Солнце, электрическая лампа или свеча, окажется суммой излучений огромного количества атомов, каждый из которых будет излучать квант приблизительно за 10-8 секунды.
В таком случае, при излучении всеми атомами света с не одинаковой поляризацией, поляризация всего пучка будет подвергаться изменениям на протяжении аналогичных временных промежутков.
Определение 2
По этой причине, в рамках естественного света, абсолютно все связанные с поляризацией эффекты усредняются, поэтому он называется неполяризованным.
С целью выделения из неполяризованного света части, имеющей желаемую поляризацию, применяются поляризаторы, например, такие, как, турмалин, исландский шпат или поляризаторы искусственного типа.
Также в физике существует такое понятие, как поляризационный свет. Он получается следующими способами:
- за счет отражения от диэлектриков, степень поляризации при этом будет зависеть от показателя преломления и угла падения лучей;
- посредством пропускания света через анизотропную среду.
Все прозрачные кристаллы (исключая оптически изотропные кристаллы кубической системы) обладают свойством двойного лучепреломления, иными словами, — могут раздваиваться в отношении каждого светового пучка, падающего на них. Так, при направлении на толстый кристалл исландского шпата узкого пучка света, из кристалла выйдут два параллельных и пространственно разделенных луча.
Применение поляризационного света
Лучше понять суть и принцип действия поляризации света в природе помогут конкретные примеры применения поляризационного света:
- В молекулярной физике (при исследовании поверхности и структуры вещества, а также, при изучении явления поляризации молекул веществ). Вращение плоскости поляризации представляет основу методов сахариметрии (для определения степени концентрации растворов).
- В геологии (при исследовании в поляризованном свете различных минералов и изделий, геологи способны различать: изделия и минералы, природное и искусственное происхождения, поддельные и настоящие изделия).
- В фотографии (выполняя репродукции картин в застекленных рамах, фотографы могут легко ликвидировать блики от стекла за счет надетого на объектив поляризованного фильтра).
- В оптике (поляризованный бинокль помогает капитанам корабля вести судно в соответствии с правильным курсом, уничтожая при этом мешающие световые блики на морских волнах, зафиксированные при наблюдении). Поляризационные микроскопы, при изучении тончайших срезов минералов (шлифов) позволяют ученым определить структуру вещества. В стереокино применяются поляризационные очки, создающие иллюзию объемности.
- В технике (здесь наблюдается широкое применение поляризации света в случае необходимости плавного регулирования интенсивности светового пучка). Поляризация также применяется при создании жидкокристаллических дисплеев, задействованных во многих устройствах (например, в мониторах компьютеров, часах, таймерах).
- В астрономии (процесс спектрального разложения света может стать достоверным индикатором наличия жидкой воды, без которой невозможно формирование жизни земного типа). Вычисление угла поляризации позволяет максимально точно определить состав преломляющей свет жидкости.
Таким образом, можно говорить о разнообразии применения поляризации света в природе и о важности изучения основных понятий данного явления.
