Поляризация света. Лекция 37 (3)

1. Поляризация света

ВоГУ
Лекция 37 (3)
Поляризация света
Кузина Л.А.,
к.ф.-м.н., доцент
2018 г.
1

2. План

2

3.

Поперечность световых волн и виды поляризации света
E и H колеблются
( E , H , ) – правая тройка

4.

Только поперечные волны могут быть поляризованы
Электромагнитная волна от отдельного элементарного излучателя (атома,
молекулы) всегда поляризована

5.

Естественный свет неполяризован:
векторы Е имеют различные ориентации
Все ориентации равновероятны
5

6.

Линейная поляризация
Свет называется линейно (или плоско) поляризованным,
если колебания светового вектора
(вектора напряжённости электрического поля Е)
происходят параллельно одной плоскости
6

7.

Линейная поляризация

8.

Линейная поляризация
8

9.

Естественный свет
Естественный свет можно представить как суперпозицию двух
некогерентных волн одинаковой интенсивности, линейно поляризованных
во взаимно перпендикулярных плоскостях:
Проходя через идеальный поляроид, естественный свет ослабляется вдвое:
1
I 0 I ест.
2
9

10.

Частично поляризованный свет
Существует преимущественное направление колебаний
Частично поляризованный свет можно представить:
10

11.

Степень поляризации
Степень поляризации:
I max I min
P
I max I min
Imax – максимальная интенсивность прошедшего через идеальный
анализатор света
Imin – минимальная интенсивность прошедшего через идеальный
анализатор света
I
I max I поляриз. ест.
2
I ест.
I min
2
I ест. I ест.
I
поляриз.
I поляриз.
I поляриз.
I max I min
2
2
P
I
I
I max I min I
ест.
ест. I поляриз. I ест. I полная
поляриз.
2
2
11

12.

Эллиптическая поляризация
Рассмотрим две когерентные плоскополяризованные световые волны
E x Ax cos t
E y Ay cos t .
x2
Ax2
y2
Ay2
2 xy
cos sin 2
Ax Ay
это – уравнение эллипса
Cвет называется эллиптически поляризованным, если конец
вектора Е описывает эллипс
12

13.

Эллиптическая поляризация
Линейная поляризация – частный случай эллиптической при α=±π:
x2
Ax2
y2
Ay2
x2
2 xy
cos sin 2
Ax Ay
y2
2 xy
0
2
2 A A
Ax Ay
x
y
2
x
y
0
A
x Ay
y
Ay
Ax
x
Уравнение прямой
13

14.

Эллиптическая и круговая поляризация
Круговая поляризация – частный случай эллиптической при Ax=Ay и α=900
x2
y2
2 xy
cos sin 2
Ax2 Ay2 Ax Ay
x2
A
2
y2
A
2
1
Левая поляризация
Правая поляризация
14

15.

16.

Закон Малюса
φ – угол между главными плоскостями поляроидов
16

17.

Закон Малюса
Колебание с амплитудой E0 –
суперпозиция двух взаимно
перпендикулярных колебаний
с амплитудами:
Плоскость колебаний падающей волны
Пройдёт
E|| E0 cos
Не пройдёт
E E0 sin
Для интенсивности прошедшей волны:
I~A2
E||2 E02 cos2
I I 0 cos2
I0 – интенсивность падающей на анализатор линейно поляризованной волны,
φ – угол между главной плоскостью анализатора и плоскостью колебаний падающей на
17
анализатор волны

18.

Закон Малюса
φ – угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора
1
I 0 I ест.
2
I ест.
I I 0 cos2
I ест.
2
I
cos
2
18

19.

20.

Закон Брюстера
Отраженный от поверхности
диэлектрика и преломленный лучи
всегда частично поляризованы
Если свет падает на границу раздела двух
диэлектриков под углом Брюстера:
n
tgiB n21 2
n1
то отражённый луч полностью линейно
поляризован перпендикулярно
плоскости падения, а преломлённый луч
будет поляризован в плоскости падения
частично, но максимально по сравнению
с другими углами падения
sin iB
n21
cosi B
sin iB n2
n21
sin i2 n1
sin i2 cos iB
iB i2 90 0
20

21.

Двойное лучепреломление
Луч разделяется на два луча. Это - двойное лучепреломление
Один из лучей удовлетворяет обычному закону преломления - обыкновенный («о»)
Второй – необыкновенный («е») показатель преломления зависит от угла падения
21

22.

У одноосных кристаллов есть единственное направление, вдоль которого скорости
обоих лучей одинаковы (нет двулучепреломления)
Это - оптическая ось кристалла
Любая плоскость, проходящая через оптическую ось, - главное сечение, или главная
плоскость
Оба луча полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях
22

23.

Ссылка

24.

Анизотропия – причина двулучепреломления
Анизотропия – означает различие
свойств в разных направлениях:
Если вектор Е направлен по оптической оси, диэлектрическая проницаемость равна:
||
Если вектор Е направлен перпендикулярно оптической оси, диэлектрическая
проницаемость:
n
n|| n
Электромагнитным волнам с различными направлениями
колебаний вектора Е соответствуют разные значения
показателя преломления п
24

25.

В обыкновенном луче Е
колеблется перпендикулярно
главному сечению
Перпендикулярны
оптической оси
no n
В необыкновенном луче Е
колеблется параллельно
главному сечению
Для разных лучей
направления колебаний
вектора Е образуют с
оптической осью разные
углы
n|| ne n
25
ne no - оптически положительный e o

26.

n|| ne n
ne no - оптически отрицательный e o
26

27.

Построение волнового фронта для обыкновенного и необыкновенного
лучей в кристалле при нормальном падении луча на грань
кристалла

28.

Построение волнового фронта для обыкновенного и необыкновенного
лучей в кристалле при нормальном падении луча на грань
кристалла

29.

Построение волнового фронта для обыкновенного и необыкновенного
лучей в кристалле при нормальном падении луча на грань
кристалла

30.

Построение волнового фронта для обыкновенного и необыкновенного
лучей в кристалле при нормальном падении луча на грань
кристалла

31.

Построение волнового фронта для обыкновенного и необыкновенного
лучей в кристалле при нормальном падении луча на грань
кристалла

32.

Построение волнового фронта для обыкновенного и необыкновенного
лучей в кристалле при нормальном падении луча на грань
кристалла

33.

33

34.

Дихроизм
Зависимость поглощения света от его поляризации называют
дихроизмом
В кристалле турмалина обыкновенный луч практически
полностью поглощается на длине 1 мм
Пленочные поляроиды - это анизотропные полимерные пленки,
пропитанные анизотропными же молекулами или микрокристаллами
В них один из лучей поглощается на пути примерно в 0.1 мм
34

35.

Призма Николя
(николь)
ne nб no
35

36.

Искусственное двулучепреломление
Двойное лучепреломление может возникать под влиянием различных воздействий:
сильного однородного электрического (эффект Керра) или магнитного поля, а также при
механических деформациях тел
Степень анизотропии:
n no ne ~ E 2
n no ne ~ H 2
n no ne ~
На искусственном двойном лучепреломлении основывается оптический
метод исследования напряжений
36

37.

Искусственное двулучепреломление
На искусственном двойном лучепреломлении
основывается оптический метод исследования
напряжений
Степень анизотропии:
n no ne ~
37

38.

Вращение плоскости поляризации
Поляриметрия
Вещества, которые могут вращать плоскость поляризации света, называются
оптически активными
Примеры:
кристаллические тела (кварц, киноварь)
чистые жидкости (скипидар, никотин)
растворы некоторых веществ (водные растворы сахара,
глюкозы, винной кислоты)
38

39.

Вращение плоскости поляризации
Угол поворота φ пропорционален пути l, пройденному лучом в кристалле:
l
α – постоянная вращения
C l
[α] – удельное вращение
Для растворов;
С – концентрация раствора
39

40.

Вращение плоскости поляризации
По Френелю:
Плоско поляризованная волна – суперпозиция двух волн, поляризованных по кругу
вправо и влево с одинаковыми амплитудами и периодами
40

41.

Вращение плоскости поляризации
Различие в скоростях света с разным направлением круговой поляризации
обусловливается асимметрией молекул
41

42.

Применение поляризации: ЖК-монитор
Экран LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) представляет
собой массив маленьких сегментов, называемых пикселями, которыми можно
манипулировать для отображения информации
Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя
молекул между двумя прозрачными
электродами, и двух поляризационных
фильтров, плоскости поляризации которых
перпендикулярны
В отсутствие напряжения кристаллы выстраиваются в винтовую структуру
Эта структура поворачивает плоскость поляризации света на 900, так что через
второй поляризационный фильтр свет проходит практически без потерь
42

43.

Применение поляризации: ЖК-монитор
а) Напряжения нет
б) Напряжение есть
Свет проходит
Свет не проходит
Если к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся
выстроиться в направлении электрического поля, что искажает
Эта структура поворачивает плоскость
винтовую структуру
0, так что через
света все
на 90
При достаточной величинеполяризации
поля практически
молекулы
второй
поляризационный
фильтр свет
становятся параллельны друг
другу,
что приводит к непрозрачности
проходит практически без потерь
структуры
43

44.

Для цветных дисплеев пиксел формируется из трех независимых
ячеек, каждая из которых расположена над участком фильтра
синего, красного или зеленого цвета
В цветном дисплее градации яркости каждого пиксела,
составляющего триаду, используются для "смешения" цветов:

45.

Фильм о вращении плоскости поляризации
https://www.youtube.com/watch?v=-Av5a2KbV-w

46.

Интерференция поляризованного света
При
Если
2
на выходе получается эллиптически поляризованный свет
E|| E (угол φ=450) на выходе – круговая поляризация
Это - пластинка в четверть волны

47.

Интерференция поляризованного света
Пусть на анизотропную пластинку падает линейно поляризованный белый
свет.
Разность хода для лучей одних длин волн будет равна четному, для других –
нечетному числу полуволн
Поэтому волны одних длин будут при интерференции уничтожаться, другие,
наоборот, усиливаться
В результате отношение интенсивностей различных цветов будет иным, чем в
белом свете, и кристалл будет казаться окрашенным
Каждой разности хода соответствует некоторая интерференционная окраска
Интерференционные окраски не являются чистыми монохроматическими
спектральными цветами, но представляют собой смесь в различных
пропорциях всех цветов, входящих в состав белого, кроме тех, которые
уничтожаются при данной разности хода
Цвета при различной разности хода