Лекция 6 (4 сем) 2026 Поляризация Слайдов20 26февр26

1. Лекция 12 (3 сем). Поляризация

Курс «Оптика и лазеры» для студентов БГТУ
2 курса ПиМ гр. 1 и 3
Кафедра физики БГТУ
доцент Крылов Андрей Борисович
Часть V.
Оптика
Лекция 12 (3 сем).
Поляризация
1.
2.
Световой вектор волны. Понятие поляризации и поляризованного света. Виды полностью
поляризованного света.
Естественный, частично и полностью поляризованный свет. Понятие поляризатора. Степень
поляризации р.
3.
Принципы (методы) получения поляризованного света и поляризаторы, работающие на них.
4.
Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Коэффициент отражения
света R. Ход лучей в Стопке пластинок.
5.
Элементы кристаллооптики. Двойное лучепреломление света в кристаллах (оптически
анизотропных средах) и его причина. Одноосные и двуосные кристаллы. Ход лучей в Призме
Николя.
6.
Дихроизм поглощения (двойное лучепоглощение). Ход лучей в Поляроиде.
2026
1
+6

2. 1. Световой вектор волны

Любая электромагнитная
волна является
поперечной.
Вектор магнитной индукции
В и вектор напряженности
электрического поля Е в
ЭМволне описывают
одинаковые по форме
синусоиды в плоскостях,
перпендикулярных друг
другу.
Световой вектор волны или электрический вектор Е волны (она же напряженность
электрического поля Е в В/м, т.к. воздействие электромагнитной волны на глаз и
фотоприемники оказывает только она).
Плоскость поляризации - это плоскость, в которой колеблется световой вектор Е.
Плоскость наблюдения - это плоскость, перпендикулярная:
1) направлению распространения волны (вектору l) и
2) плоскости поляризации, причём свет должен распространяться к наблюдателю.
Проекция вектора Е на плоскость наблюдения в этом случае будет иметь вид отрезка
прямой линии (смотри рисунок).
На рисунке изображено испускание электромагнитной волны одним элементарным
источником света (атомом или молекулой светящегося вещества).
2
+4

3. Поляризация электромагнитных волн

Поляризация (как явление) – это явление, при котором все источники дают
электромагнитные волны, электрический вектор Е которых колеблется в одной
плоскости, перпендикулярной плоскости наблюдения.
Такой свет называется полностью поляризованным или
плоскополяризованным.
Любой источник света сумма огромного числа быстро
высвечивающихся (время жизни
τ ("тау") порядка 10–10–10–9 с)
элементарных источников.
Плоскополяризованный
(полностью
поляризованный) свет –
свет, у которого
все элементарные
источники
испускают ЭМ волны, которые
имеют одинаковую
ориентацию
плоскости поляризации
в каждый момент времени
3
(рис.4, А).
+4

4. Виды плоско поляризованной волны

Плоско поляризованный (полностью поляризованный) свет – свет, у которого
электромагнитные волны всех элементарных источников имеют одинаковую
ориентацию плоскости поляризации в каждый момент времени.
1. Линейно-поляризованный свет
Плоскость поляризации не
поворачивается - видна наблюдателю
в плоскости наблюдения как отрезок
прямой линии, изменяющий длину, но
не макс. длину и не направление
2. Циклически-поляризованный свет
Плоскость поляризации
поворачивается - видна наблюдателю
в плоскости наблюдения как отрезок
прямой линии, изменяющий
направление , но не макс. длину
3. Эллиптически-поляризованный
свет
Плоскость поляризации
поворачивается - видна наблюдателю
в плоскости наблюдения как отрезок
прямой линии, изменяющий макс.
длину и направление
Это виды полностью поляризованного света!
4
+5

5. 2. Разложение вектора

Из геометрии известно:
любой вектор можно разложить на
два взаимно перпендикулярных вектора
Любой неполяризованный и частично поляризованный свет
всегда можно разложить на две компоненты,
линейно поляризованные во взаимно перпендикулярных
плоскостях.
5
+1

6. Неполяризованная и частично поляризованная волна

Интенсивность света [Вт/м2]
Обычные источники света содержат огромное число элементарных источников
В световом
эллипсе
с разной ориентацией светового вектора Е.
Естественный или полностью неполяризованный свет – свет, в
плоскости наблюдения которого все направления колебания световых
векторов Е (все плоскости поляризации волн) равноправны.
Примеры: солнце, лампы освещения и т.д.
Частично поляризованный свет – свет, в котором больше волн с
какой-то одной плоскостью поляризации, но другие плоскости тоже есть.
Примеры: отражённый свет: отражение в зеркале, воде,
зеркальной поверхности, отражённый свет луны, радуга и т.д.
Плоскополяризованный свет в природе встречается
чрезвычайно редко, и получить его можно только с помощью
специальных приборов (поляризаторов).
Поэтому иногда говорят: Поляризация (как действие) – это получение
плоскополяризованного света из естественно поляризованного.
6
+3

7. Понятие поляризатора

Поляризатор – это прибор или оптическое устройство для получения
линейно поляризованного света, основанный именно на этом законе.
Он пропускает одну плоскополяризованную волну (например, с Е1) и
не пропускает вторую плоскополяризованную волну (с Е2) – волну с плоскостью
поляризации, перпендикулярной первой.
Неполяризованный свет
П
Плоскость пропускания поляризатора - это
плоскость поляризации световой волны, которую
пропускает поляризатор.
Главное направление поляризатора направление колебаний электрического вектора в
волне, прошедшей через поляризатор.
Линейно поляризованный свет
Естественный (неполяризованный) свет при прохождении поляризатора:
1. Становится линейно
поляризованным,
2. Его интенсивность уменьшается
вдвое:
Поляризатор – это оптический фильтр
Поляриметр – это система из двух расположенных друг за другом поляризаторов 7
+5

8. Степень поляризации р

Для описания частично поляризованного света вводится специальный параметр: степень
поляризации p , безразмерная величина от нуля до единицы (доли):
Imax – интенсивность линейно поляризованного
света вдоль бóльшей полуоси светового
эллипса,
Imin – интенсивность линейно поляризованного
света вдоль малой полуоси светового эллипса.
8
+1

9. Степень поляризации р -2

Для описания частично поляризованного света вводится специальный параметр: степень
поляризации p , безразмерная величина от нуля до единицы (доли):
Символика для обозначения света различной степени поляризации
9
+1

10. 3. Принципы получения поляризованного света и поляризаторы, работающие на них

Поляризатор
Естественный
свет
Линейнополяризованный
свет
1. Поляризация при
отражении от диэлектрика
Стопка пластинок
Обозначение
поляризатора на
оптических (световых)
схемах
2. Поляризация при
двойном лучепреломлении
в кристаллах
3. Поляризация при
дихроизме поглощения
Двулучепреломление
Дихроизм поглощения
Призма Нúколя
Поляроид
Поляризаторы - приборы для создания линейно-поляризованной волны
10
+5

11. 4. Поляризация при отражении от диэлектрика

При падении света на границу раздела
двух диэлектриков возникают отражённая
и преломлённая волны, подчиняющиеся
законам отражения и преломления
(смотри рисунок).
Поляризация этих волн в общем случае
будет различной.
Если падающий свет естественный
(неполяризованный), то отражённая и
преломлённая волны будут
поляризованы частично.
Степень их поляризации р будет зависеть
от угла падения α ("альфа"): по мере
увеличения α степень поляризации р
отраженного света растёт.
Когда угол падения станет равен αБр - углу Брюстера =
углу полной поляризации, то отраженная волна
будет полностью поляризована (р=1).
Коэффициент отражения света R – это отношение
интенсивности отраженного света Iотр к интенсивности
падающего света Iпад (R=Iотр/Iпад).
В СИ [безразмерный или доли].
11
+5

12. Закон Брюстера

n1
n2
Угол Брюстера находится из соотношения:
(закон Брюстера)
n2 – показатель преломления среды, в которую свет входит,
n1 –среды, из которой свет падает на границу раздела.
1)
2)
Плоскость падения световой волны - это плоскость, в которой лежат падающий, преломлённый
и отражённый лучи, а также перпендикуляр в точке падения.
На рисунке плоскость падения = плоскость экрана.
Полностью линейно поляризованная отражённая от границы двух диэлектриков световая
волна имеет два замечательных свойства:
её электрический вектор Е перпендикулярен плоскости падения (на рисунке вектор
перпендикулярен плоскости рисунка);
отражённый и преломлённый лучи перпендикулярны друг другу.
Преломлённая волна будет поляризована только частично.
Чтобы максимально поляризовать падающую на
диэлектрик электромагнитную волну
Нужна стопка плоскопараллельных пластинок
Ход лучей в Стопке диэлектриков
За счёт многократного отражения волны одной
поляризации - максимально возможный выход
линейно поляризованного света (до 50%) или р ≤ 0,5:
(стеклянных пластинок)
Коэффициент отражения света R до 0,5 или 50%.
12
+9

13. 5. Поляризация при двойном лучепреломлении в кристаллах

Двойное лучепреломление – это разделение
е
о
1.
2.
луча естественного света при преломлении на
границе «воздух – кристалл» (анизотропная
среда) на два луча:
обыкновенный (ordinary - обозначается «о») и
необыкновенный (extraordinary обозначается
«е»).
Этим двум лучам соответствуют обыкновенная и необыкновенная
световые волны, которые поляризованы в двух взаимно
перпендикулярных плоскостях, и распространяются в кристалле с
различными скоростями: vо и vе.
Скорость обыкновенной волны vо одинакова по всем направлениям,
а значит абсолютный показатель преломления
Скорость необыкновенной волны vе различна по всем направлениям, а
nе тоже изменяется:
Из-за различия v и v показатели преломления nо и nе различаются по
значит абсолютный показатель преломления
nо постоянен и равен:
с
no =
vo
о
е
ne =
c
ve
величине.
13
+5

14. Причина двойного лучепреломления в кристаллах. Одноосные и двуосные кристаллы

Закон преломления световой волны: отношение
синуса угла падения α к синусу угла преломления β
есть величина постоянная, равная отношению
абсолютного показателя преломления второй
среды n2 к абсолютному показателю преломления
первой среды n1 (из которой падает свет):
Этим и объясняется двойное лучепреломление: при одном и том
же угле падения
по закону преломления будут существовать два угла
И эти углы преломления:
α
преломления: βо для обыкновенной и βе для необыкновенной волны.
βо – будет одинаковым для разных направлений
падения луча под углом падения α :
βе – будет разным для разных направлений
падения луча под углом падения α :
В кристаллах существуют направления, в которых обыкновенный и
необыкновенный луч имеют равную скорость (а значит и одинаковые углы
преломления о= е).
Такое направление называется оптической осью. В кристалле может быть
или одна, или две оптические оси.
14
β
≠const
β
+5

15. Распространение света в анизотропной среде

Итак, в кристалле есть оптические оси , причем осей в кристалле может быть одна или
две.
Следовательно существуют одноосные и двухосные кристаллы.
Если вне оптической оси скорость обыкновенного луча (о) бóльше, чем необыкновенного (е),
то кристалл положительный (ne>no), если меньше, то кристалл отрицательный (no>ne).
Диаграммы
волновых
поверхностей
кристалла
(о)
Волновая поверхность –
поверхность
равных
фаз
световой
волны,
сформированная
через
единичный момент времени
после
«включения»
точечного источника света,
помещенного
в
начале
координат.
Вспомним: обыкновенный луч распространяется по всем направлениям
в кристалле с одной и той же скоростью v0, а необыкновенный луч
распространяется в кристалле с различными скоростями в зависимости
от угла между вектором Е и оптической осью vе.
(е)
Следствие: при вращении кристалла (тут кварц) изображение
карандаша, созданное необыкновенными лучами, будет «бегать»
вокруг неподвижного изображения, созданного обыкновенными
лучами.
Отсюда и название – необыкновенный (exstaodinary) луч.
15
+7

16. Наблюдение анизотропии в кристалле - анизотропной среде

Плоскость, проходящая через данный луч и оптическую ось
кристалла - главная плоскость.
У обыкновенных лучей световое вектор Ео перпендикулярен
главной плоскости и оптической оси, а у необыкновенных
лучей вектор Ее лежит в главной плоскости (следовательно,
образует с оптической осью некоторые углы).
На рисунке главная плоскость – в плоскости экрана
(стандартное обозначение на схемах).
Вид двулучепреломления на
кристалле кальцита CaCO3
16
+4

17. Призма Николя (1828 г.)

Нúколь Уильям
1768-1851
Наиболее распространённым поляризатором,
основанным на явлении двулучепреломления,
является призма Нúколя (в просторечье - нúколь)
Исландский
шпат
Из кристалла исландского шпата
вырезаются две призмы, диагонали
которых склеивают слоем канадского
бальзама с показателем преломления nБ :
n о > nБ > nе
Важно!
1,66 > 1,55 > 1,49
для желтооранжевых
лучей
Углы в призме подобраны так, чтобы обыкновенный луч (о) на поверхности канадского
бальзама (точка А) испытал полное внутреннее отражение, т.е. полностью отразился
от границы "1-я призма-канадский бальзам".
Этот отражённый луч затем полностью поглощается зачернённой нижней
гранью.
Необыкновенный луч (е) преломляется в точке В, проходит в канадский бальзам, затем
снова преломляется на границе "канадский бальзам-2-я призма" и выходит из
кристалла, практически сохраняя свое прежнее направление: на выходе получилась
линейнополяризованная световая волна.
Вывод: призма Нúколя – это поляризатор, создающий линейно
поляризованную волну при двулучепреломлении в кристалле.
17
+6

18. 6. Поглощение света при дихроизме поглощения

Дихроизм поглощения (двулучепоглощение)– это явление зависимости показателя
поглощения света k от поляризации волны.
Чем больше показатель поглощения света k, тем меньше толщина вещества х, при
прохождении которой свет полностью поглотится.
При прохождении световой волны
через среду происходит её
поглощение по закону:
где k – показатель поглощения,
зависящий от свойств среды и частоты
волны ν проходящего света
(константа).
У некоторых двулучепоглощающих кристаллов (например, турмалина, герапатита)
света k для двух взаимно перпендикулярно поляризованных лучей отличаются очень
сильно (kо >kе или, наоборот, kо <kе ).
Тогда даже при малой толщине кристалла х один из лучей практически полностью
поглощается, поэтому из кристалла выходит только второй линейно поляризованный
луч.
Из таких кристаллов (чаще из герапатита) изготавливают поляризаторы в виде пленки
18
– поляроиды.
Лекция 13. ЭМ волна. Поляризация
+4

19. Поляроид как поляризационный фильтр для фотоаппарата

Поляризаторы - приборы для создания линейно-поляризованной волны
Поляроид
Вспомним:
Линейнополяризованный
свет
Естественный
свет
Поляризатор типа Поляроид = Поляризационный фильтр
Без поляризационного фильтра
С поляризационным фильтром
Убрали блики – паразитное отражение от границы «воздух-вода»
19
+5

20. Спасибо за внимание!

Курс физики для студентов 1-2 курса БГТУ
Кафедра физики БГТУ
доцент Крылов Андрей Борисович
Поляроид
Часть V.
Оптика
Спасибо за внимание!
Без поляризационного светофильтра
С поляризационным светофильтром
Убрали блики – паразитное отражение от неба (облаков) и поверхности земли
20
+2