Care este polarizarea luminii în fizică. Lumină polarizată în natură. Aplicarea polarizării luminii în istorie și în viața de zi cu zi

Direcția de propagare a undei;

Circular polarizare - dreapta sau stânga, în funcție de sensul de rotație al vectorului de inducție;

Eliptic polarizare - un caz intermediar între polarizările circulare și cele liniare.

Radiația incoerentă poate să nu fie polarizată sau să fie total sau parțial polarizat în oricare dintre modurile de mai sus. În acest caz, conceptul de polarizare este înțeles statistic.

În considerarea teoretică a polarizării, se presupune că unda se propagă orizontal. Apoi putem vorbi de polarizări liniare verticale și orizontale ale undei.

Liniar Circular Eliptic

Teoria fenomenului

O undă electromagnetică poate fi descompusă (atât teoretic, cât și practic) în două componente polarizate, de exemplu polarizate vertical și orizontal. Alte expansiuni sunt posibile, de exemplu, într-o pereche diferită de direcții reciproc perpendiculare, sau în două componente având polarizare circulară stânga și dreapta. Când încercați să extindeți o undă polarizată liniar în polarizări circulare (sau invers), vor apărea două componente de jumătate de intensitate.

Din punct de vedere cuantic și clasic, polarizarea poate fi descrisă printr-un vector complex bidimensional ( Vectorul Jones). Polarizarea fotonului este o implementare a q-bit.

Radiația antenei are de obicei polarizare liniară.

Schimbând polarizarea luminii la reflectarea de la suprafață, se poate aprecia structura suprafeței, constantele optice și grosimea probei.

Dacă lumina împrăștiată este polarizată, atunci folosind un filtru de polarizare cu o polarizare diferită, este posibil să se limiteze trecerea luminii. Intensitatea luminii care trece prin polarizatoare respectă legea Malus. LCD-urile funcționează pe acest principiu.

Unele viețuitoare, cum ar fi albinele, sunt capabile să distingă polarizarea liniară a luminii, ceea ce le dă caracteristici suplimentare pentru orientare în spațiu. S-a descoperit că unele animale, cum ar fi creveții păun, sunt capabile să distingă lumina polarizată circular, adică lumina cu polarizare circulară.

Istoria descoperirilor

Descoperirea undelor de lumină polarizată a fost precedată de munca multor oameni de știință. În 1669, omul de știință danez E. Bartholin a raportat experimentele sale cu cristale calcaroase (CaCO3), cel mai adesea sub forma unui romboedru obișnuit, care au fost aduse de marinarii care se întorceau din Islanda. A fost surprins să descopere că un fascicul de lumină care trece printr-un cristal se împarte în două fascicule (numite acum obișnuit și extraordinar). Bartholin a efectuat un studiu amănunțit al fenomenului dublei refracții descoperit de el, dar nu a putut da o explicație. La douăzeci de ani de la experimentele lui E. Bartholin, descoperirea sa a atras atenția savantului olandez H. Huygens. El însuși a început să investigheze proprietățile cristalelor spate din Islanda și a dat o explicație pentru fenomenul dublei refracții pe baza teoriei sale ondulatorii a luminii. În același timp, a introdus conceptul important al axei optice a unui cristal, în timpul rotației în jurul căruia nu există anizotropie a proprietăților cristalului, adică dependența lor de direcție (desigur, nu toate cristalele au o astfel de axă). ). În experimentele sale, Huygens a mers mai departe decât Bartholin, trecând ambele fascicule care au ieșit dintr-un cristal spatar islandez printr-un al doilea cristal similar. S-a dovedit că, dacă axele optice ale ambelor cristale sunt paralele, atunci descompunerea ulterioară a acestor raze nu mai are loc. Dacă al doilea romboedru este rotit cu 180 de grade în jurul direcției de propagare a unei raze obișnuite, atunci când trece prin al doilea cristal, raza extraordinară suferă o deplasare în direcția opusă deplasării primului cristal și ambele raze vor veni dintr-un astfel de sistem conectat într-un singur fascicul. S-a mai constatat că, în funcție de unghiul dintre axele optice ale cristalelor, se modifică intensitatea razelor obișnuite și extraordinare. Aceste studii l-au adus pe Huygens aproape de descoperirea fenomenului de polarizare a luminii, dar el nu a putut face un pas decisiv, deoarece undele luminoase în teoria sa se presupuneau a fi longitudinale. Pentru a explica experimentele lui H. Huygens, I. Newton, care a aderat la teoria corpusculară a luminii, a prezentat ideea absenței simetriei axiale a unui fascicul de lumină și a făcut astfel un pas important către înțelegerea polarizării luminii. . În 1808, fizicianul francez E. Malus, privind printr-o bucată de spate islandeză la ferestrele Palatului Luxemburg din Paris, strălucind în razele soarelui apus, a observat spre surprinderea sa că la o anumită poziție a cristalului, doar era vizibilă o imagine. Pe baza acestui experiment și pe alte experimente și bazându-se pe teoria corpusculară a luminii a lui Newton, el a sugerat că corpusculii din raza de soare sunt orientate aleatoriu, dar după reflectarea de la o suprafață sau trecerea printr-un cristal anizotrop, capătă o anumită orientare. O astfel de lumină „ordonată” a numit-o polarizată.

Parametrii Stokes

Reprezentarea polarizării în termeni de parametrii Stokes pe sfera Poincaré

În general, o undă plană monocromatică are polarizare eliptică dreapta sau stânga. Caracteristica completă a elipsei este dată de trei parametri, de exemplu, semilungimile laturilor dreptunghiului în care este înscrisă elipsa de polarizare. A 1 , A 2 și diferența de fază φ, sau semiaxele elipsei A , bși unghiul ψ dintre axă Xși axa majoră a elipsei. Este convenabil să descriem o undă polarizată eliptic pe baza parametrilor Stokes:

, ,

Doar trei dintre ele sunt independente, deoarece identitatea este adevărată:

Dacă introducem un unghi auxiliar χ, definit prin expresie (semnul corespunde la dreapta, iar - la polarizarea stângă), atunci putem obține următoarele expresii pentru parametrii Stokes:

Pe baza acestor formule, este posibil să se caracterizeze polarizarea unei unde luminoase într-un mod geometric clar. În acest caz, parametrii Stokes , , sunt interpretați ca coordonate carteziene punct de pe suprafața unei sfere de rază . Unghiurile și au semnificația coordonatelor unghiulare sferice ale acestui punct. O astfel de reprezentare geometrică a fost propusă de Poincaré, așa că această sferă se numește sfera Poincaré.

Alături de , , sunt utilizați și parametrii Stokes normalizați , ,. Pentru lumina polarizata .

Vezi si

Literatură

• Akhmanov S.A., Nikitin S.Yu. - Optica fizica, editia a II-a, M. - 2004.
• Born M., Wolf E. - Fundamentele opticii, ediția a II-a, revăzută, trad. din engleză, M. - 1973

Note

Fundația Wikimedia. 2010 .

• Polarizarea undelor
• Polarizarea fotonilor

Vedeți ce este „Polarizarea luminii” în alte dicționare:

POLARIZAREA LUMINII- fizică. caracteristica optică. radiație, care descrie anizotropia transversală a undelor luminoase, adică neechivalența dec. direcții într-un plan perpendicular pe fasciculul luminos. Primele indicii ale anizotropiei transversale a unui fascicul de lumină au fost obținute... Enciclopedia fizică

POLARIZAREA LUMINII Enciclopedia modernă

Polarizarea luminii- POLARIZAREA LUMINII, ordinea în orientarea vectorului de intensitate al câmpurilor electrice E și magnetice H ale unei unde luminoase într-un plan perpendicular pe propagarea luminii. Există o polarizare liniară a luminii, atunci când E rămâne constantă ... ... Dicţionar Enciclopedic Ilustrat

polarizarea luminii- polarizare Proprietate a luminii caracterizată prin ordonarea spațio-temporală a orientării vectorilor magnetici și electrici. Note 1. În funcție de tipurile de ordonare, se disting: polarizare liniară, eliptică ... ...

POLARIZAREA LUMINII- (lat. din polus). Proprietatea razelor de lumină care, atunci când sunt reflectate sau refractate, își pierd capacitatea de a fi reflectate sau refractate din nou în direcții cunoscute. Dicționar de cuvinte străine incluse în limba rusă. Chudinov A.N.,… … Dicționar de cuvinte străine ale limbii ruse

POLARIZAREA LUMINII- ordinea în orientarea vectorilor de intensitate ai câmpurilor electrice E și magnetice H ai unei unde luminoase într-un plan perpendicular pe fasciculul luminos. Distingeți polarizarea liniară a luminii atunci când E menține o direcție constantă (după planul ... ... Dicţionar enciclopedic mare

polarizarea [luminii]- Ordinea orientării vectorului câmpului electromagnetic al undei luminoase într-un plan perpendicular pe direcția de propagare a fasciculului luminos; principiul P. este utilizat în proiectarea unui microscop polarizant [Arefiev V.A., Lisovenko L.A. ... ... Manualul Traducătorului Tehnic

polarizarea luminii- ordinea în orientarea vectorilor de forță ale câmpurilor electrice E și magnetice H ale unei unde luminoase într-un plan perpendicular pe fasciculul luminos. Distingeți polarizarea liniară a luminii atunci când E menține o direcție constantă (plan ... ... Dicţionar enciclopedic

polarizarea [luminii]- polarizare polarizare [a luminii]. Ordonarea orientării vectorului câmpului electromagnetic al undei luminoase într-un plan perpendicular pe direcția de propagare a fasciculului luminos; principiul lui P. este utilizat în proiectarea unui microscop polarizant ... Biologie moleculară și genetică. Dicţionar.

polarizarea luminii- šviesos poliarizacija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. polarizarea luminii vok. Lichtpolarisation, f rus. polarizarea luminii, f pranc. polarization de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas

Polarizarea luminii

Cursul 3

Noi stim aia ușoară - acest unde electromagnetice, pentru care modificarea vectorilor și , care se produce cu frecvență într-un plan reciproc, se scrie după cum urmează:

Un vector are un efect fiziologic asupra ochiului. Interval de lungimi de undă vizibile: (0,38 ÷ 0,760) µm sau (0,38 ÷ 0,76) 10 -6 m sau (400 ÷ 760) nm. Cea mai mare sensibilitate a ochiului pentru λ = 550 µm (lumină verde).

Să ne amintim asta unde de forfecare se numesc acelea in care se fac vibratii in directia de propagare a acestora. Undele electromagnetice sunt transversale .

Să presupunem că avem o sursă de lumină - o lampă cu incandescență. Lumina este radiația electromagnetică totală a multor atomi. Undele emise de lampă vor fi haotice în spațiu, înlocuindu-se rapid între ele direcționate pentru vector (respectiv pentru ). O astfel de radiație este lumina naturala .

Amintiți-vă rezultatul adunării a două oscilații reciproc perpendiculare:

Diferența de fază

La adăugarea a două oscilații armonice reciproc perpendiculare de aceeași frecvență, în funcție de diferența de fază, capătul vectorului rezultat poate oscila într-un plan sau se poate deplasa de-a lungul unei elipse (într-un caz particular, de-a lungul unui cerc).

Polarizare liniară Polarizare eliptică (dreapta, stânga)

Polarizare eliptică (dreapta, stânga) Polarizare circulară (dreapta, stânga) a = b

Deci, la adăugarea a 2 unde plan-paralele coerente, unda rezultată poate fi polarizată liniar, polarizat eliptic și polarizat circular. De aici și numele de polarizare. Se numesc lumina (fascicul de lumina), in care oscilatiile vectorului luminos sunt cumva ordonate polarizat . planul de polarizare se numește plan paralel cu oscilațiile vectorului. În viitor, vom vorbi întotdeauna despre planul de oscilație al vectorului, deoarece este vectorul (intensitatea luminii) care are un efect fiziologic asupra ochiului uman. Dacă într-un fascicul de lumină oscilațiile tuturor vectorilor apar numai într-un anumit plan, atunci o astfel de undă transversală se numește plan polarizat sau polarizat liniar .

În planul de polarizare, toți vectorii fasciculului de lumină au acest plan de oscilație, r este direcția de propagare a fasciculului de lumină.

Pentru a detecta și analiza lumina polarizată liniar, plăcile sunt tăiate într-un anumit mod din cristale de turmalină. După cum sa dovedit, din experiență, ei au capacitatea de a transmite vibrații luminoase numai într-o anumită direcție a vectorului.

Dispozitivele care produc lumină polarizată din lumina naturală sunt numite polarizatoare , iar dispozitivele prin care este detectată și studiată lumina polarizată sunt analizoare . Numele comun pentru polarizator și analizor este polaroiduri . Prin urmare, plăcile de turmalină pot fi folosite atât ca polarizatoare, cât și ca analizoare. Lumina naturală poate fi reprezentată ca 2 fascicule de lumină de aceeași intensitate, dar polarizate în 2 direcții reciproce.

Obiective:

Educational:

1. Extindeți-vă înțelegerea despre lumina naturală.
2. Definiți fenomenul de polarizare a luminii.
3. Arătați elevilor importanța proprietăților transversale ale luminii pentru demonstrație natura electromagnetică Sveta.

Educational: Educația gândirii viziunii asupra lumii.

În curs de dezvoltare: Dezvoltarea gândirii independente, a inteligenței, a capacității de sistematizare a materialului, de a formula concluzii asupra materialului studiat.

Demonstrații:

Conținutul principal al materialului: Definirea fenomenului de polarizare. Conceptul de lumină naturală și polarizată. Unde luminoase transversale. Dovada naturii electromagnetice a luminii. Polaroid, aplicarea lor, polarizator.

Plan.

1. Istoria descoperirii polarizării.
2. Conceptul de lumină naturală și polarizată liniar.
3. Valoarea polarizării pentru a dovedi natura electromagnetică a luminii.
4. Analogia oscilațiilor unei unde luminoase cu oscilațiile mecanice.
5. Polarizarea luminii în timpul reflexiei și refracției.
6. Activitatea optică a materiei și rotația planului de polarizare.
7. Aplicarea fenomenului de polarizare.
8. Rezumând.

În timpul orelor

Tema prelegerii este scrisă pe tablă, se anunță scopul, se rostește structura prezentării materialului. Pe tablă sunt scrise întrebări de control la care elevii trebuie să răspundă după prezentarea materialului de către profesor. Polarizare - „polos” grecesc, lat. „polus” - capătul axei, polul.

Profesor: Conceptul de polarizare a luminii a fost introdus în optică de omul de știință englez Isaac Newton în 1706 și explicat de James Clerk Maxwell. În stadiul de dezvoltare a naturii ondulatorii a luminii, natura undelor luminoase era necunoscută, deși faptele experimentale se acumulau în favoarea naturii transversale a undelor electromagnetice.

Profesor.împlinitor teme pentru acasă, a fost necesar să se repete conceptele: undă electromagnetică, undă transversală, ipoteza lui Maxwell despre unde electromagnetice, tren de unde, lumină naturală, anizotropie cristalină.

Ce este o undă electromagnetică?

Student. O undă electromagnetică este o oscilație interconectată a vectorilor câmpurilor electrice și magnetice, perpendiculare între ele și pe direcția de propagare a undei.

Ce este o undă transversală?

O undă transversală este o undă în care direcția oscilațiilor particulelor este perpendiculară pe direcția de propagare a undei.

Ce sunt undele electromagnetice din punctul de vedere al ipotezei lui Maxwell?

Conform ipotezei lui Maxwell, undele electromagnetice se propagă în spațiu cu o viteză finită - viteza luminii c=3 și sunt transversale.

Ce este un tren cu valuri?

Un tren de undă este o undă emisă de un atom individual în timpul în care atomul se află într-o stare excitată: t=s.

Profesor. Ce este lumina naturală?

Student. Lumina naturală este radiația electromagnetică totală a multor atomi, deci o undă de lumină este un set de trenuri de unde cu o fază care se schimbă aleatoriu.

Lumina, în care vectorul luminos fluctuează aleatoriu simultan în toate direcțiile perpendiculare pe fascicul, se numește naturală.

Ce este anizotropia cristalină?

Anizotropia este o dependență proprietăți fizice cristal din direcție.

Profesor.

Pentru prima dată, experimentele privind polarizarea luminii cu spatul islandez au fost făcute de omul de știință olandez H. Huygens în 1690. Trecând un fascicul de lumină prin spatele islandez, Huygens descoperă anizotropia transversală a fasciculului de lumină, datorită anizotropiei proprietățile cristalului. Acest fenomen a fost numit birefringență. Dacă cristalul este rotit în raport cu direcția fasciculului inițial, atunci ambele fascicule sunt rotite după părăsirea cristalului. În 1809, inginerul francez E. Malus a descoperit o lege care poartă numele lui. În experimentele lui Malus, lumina a fost trecută succesiv prin două plăci de turmalină identice. Lumina este direcționată perpendicular pe suprafața unui cristal de turmalină tăiat paralel cu axa optică. Când cristalul se rotește în jurul axei fasciculului, nu are loc modificarea intensității fasciculului de lumină. Dacă pe traseul fasciculului este plasat un al doilea cristal de turmalină, identic cu primul, atunci intensitatea luminii transmise prin aceste plăci variază în funcție de unghiul α dintre axele cristalelor conform legii Malus:

Intensitatea luminii transmise s-a dovedit a fi direct proporțională cu φ. Într-o undă longitudinală, toate direcțiile dintr-un plan perpendicular pe fascicul sunt egale, așa că nici legea lui Malus, nici birrefracția nu ar putea explica acest fenomen din punct de vedere al undelor longitudinale.

Profesor. Pe calea luminii solare, puteți pune un dispozitiv special - un polarizator, care selectează una dintre toate direcțiile oscilațiilor vectoriale. Lumina, în care direcția oscilațiilor vectoriale este strict fixă, se numește polarizat liniar sau polarizat în plan.

Sub polarizarea luminii se înțelege separarea vibrațiilor luminii de lumina naturală cu o anumită direcție a vectorului electric.

Un experiment cu două polaroid, o lampă, un ecran.

Să facem un experiment cu două plăci de turmalină dreptunghiulare identice tăiate dintr-un cristal paralel cu axa sa optică. Axa optică a cristalului este direcția paralelă cu planul în care oscilează vectorul luminos.

Să punem o farfurie pe alta, astfel încât axele lor să coincidă în direcție. Să trecem un fascicul îngust de lumină prin perechea pliată.

Vom roti una dintre plăci, în timp ce observăm că luminozitatea fluxului luminos scade și lumina se stinge atunci când placa se rotește la 90 °, adică. unghiul dintre axele optice ale cristalelor va fi de 90°. Odată cu rotirea ulterioară a plăcii, fluxul de lumină transmis va începe din nou să crească, iar când placa se întoarce la 180 °, intensitatea fluxului de lumină va deveni din nou aceeași. Revenind la poziția inițială, fasciculul slăbește din nou, trece printr-un minim și atinge intensitatea anterioară atunci când placa revine în poziția inițială. Astfel, atunci când placa este rotită la 360 °, luminozitatea fluxului de lumină care trece prin ambele plăci atinge „max” de două ori și „min” de două ori.

Profesor: Care este motivul modificării luminozității fluxului de lumină? Rețineți că rezultatul nu depinde de care dintre cristale se rotește și de distanța dintre ele. Să facem din nou experimentul.

Vom roti primul cristal în jurul fasciculului.

Există o schimbare a luminozității?

Student: Nu.

Profesor: Vom roti al doilea cristal în raport cu fasciculul. Ce vedem?

Student: Vedem că luminozitatea fluxului luminos se modifică.

Profesor: Ce se poate spune despre o undă de lumină care vine de la o sursă de lumină? Care este diferența sa față de valul care a trecut prin primul cristal?

Student: Un cristal de turmalină este capabil să transmită vibrații luminoase numai atunci când acestea sunt direcționate într-un anumit mod în raport cu axa sa.

Unda luminoasă care vine de la sursa de lumină este transversală, primul cristal, fiind anizotrop, transmite vibrații luminoase situate într-un plan specific paralel cu axa optică, de aceea, atunci când al doilea cristal este rotit cu 90°, când unghiul dintre unghiul optic. axele este de 90 °, lumina fluxului este stins.

Profesor: Acțiunea unei plăci de turmalină este aceea de a transmite vibrații al căror vector electric este paralel cu axa optică. Oscilațiile al căror vector este perpendicular pe axa optică sunt absorbite de placă. Fenomenul de polarizare demonstrează că lumina este o undă transversală. Concluzionăm că o undă luminoasă este un caz special de undă electromagnetică.

Planul în care au loc vibrațiile luminii după părăsirea cristalului este planul vibrațiilor.

Planul de polarizare este planul în care oscilează vectorul de inducție.

Unda de lumină care a trecut prin primul cristal este polarizată liniar sau polarizată în plan.

Intrare caiet: 1)Ipoteza lui Maxwell:

a) c= este viteza luminii.

Pentru o mai bună înțelegere, să facem o analogie între oscilațiile unei unde luminoase și oscilațiile mecanice.

O experienta. Dacă un cablu de cauciuc este atașat la rotorul unui generator de motor electric, atunci cablul va oscila în toate direcțiile, similar cu oscilația vectorului de intensitate. Pe traseul cablului puneți o fantă verticală.

Ce vedem?

Student: Vor trece doar acele vibrații, ale căror direcții sunt verticale și paralele cu fanta.

Polarizarea luminii se observa in timpul fenomenelor de reflexii si refractii, i.e. când o undă luminoasă cade pe interfața dintre medii. Fasciculul reflectat este dominat de oscilații perpendiculare pe planul de incidență, în timp ce fasciculul refractat este dominat de oscilații paralele cu planul de incidență.

Dacă o undă luminoasă se propagă într-un mediu omogen, atunci nu are loc polarizarea luminii. Lumina este parțial polarizată la reflectarea de la o suprafață dielectrică.

O undă luminoasă care trece prin soluții de zahăr, glucoză, un număr de acizi are o rotație a planului de polarizare. Unghiul de rotație este proporțional cu concentrația substanței din soluție. Astfel de soluții sunt optic active. Gradul de activitate optică în diferite substanțe este diferit. Polarimetrele sunt folosite pentru a măsura unghiul de rotație. Pentru toate substanțele active, unghiul de rotație al planului de oscilație este proporțional cu grosimea stratului și concentrația soluției.

Intrare caiet:

Substante optic active: zahar, glucoza, unii acizi.

Unghiul de rotație al planului de oscilație: ,

LA– rotatie specifica;
din- concentrare,
l este grosimea stratului.

Polarimetru– un dispozitiv pentru măsurarea unghiului de rotație al planului de polarizare în substanțe optic active.

Aplicarea polarizării.

Utilizarea polarimetrelor:

1. în industria alimentară pentru a determina concentrația unei soluții, zahăr (zaharimetre), proteine, diverși acizi organici;
2. în medicină pentru a determina concentrația de zahăr în sânge prin unghiul de rotație al planului de polarizare;

Folosind Polaroid:

1. la înregistrarea vitrinelor, decorurilor de teatru;
2. atunci când fotografiați pentru a elimina strălucirea folosind filtre polarizante;
3. în geofizică - în studiul proprietăților norilor în determinarea caracteristicilor polarizării luminii împrăștiate de nori.
4. În cercetarea spațială - atunci când fotografiază nebuloase în lumină polarizată, ei studiază structura câmpurilor magnetice.
5. În transportul cu motor - pentru a proteja șoferii de efectul orbitor al farurilor vehiculelor care se apropie.
6. În utilizare inginerească metoda fotoelastică a - studiul tensiunilor apărute în piesele mașinii.

Rezumăm pe scurt răspunzând la întrebări (diapozitiv)

1. Ce proprietate a undelor luminoase este dovedită de fenomenul de polarizare?
2. Ce se numește polarizare?
3. Care este radiația unui atom individual?
4. Ce este lumina naturală?
5. De ce fenomenul de polarizare a luminii demonstrează că lumina este un caz special de unde electromagnetică?
6. Lumina reflectată de la suprafața apei este parțial polarizată. Cum se verifică acest lucru folosind un polaroid?

Concluzie.

Profesor: Ce proprietate a undelor luminoase ați întâlnit la lecție?

În lecție, ne-am familiarizat cu proprietatea undelor luminoase - polarizarea. Polarizarea undelor luminoase în timpul trecerii luminii prin medii anizotrope - cristale demonstrează experimental transversalitatea undelor luminoase.

O undă luminoasă în care oscilațiile vectorului luminos apar într-un anumit plan se numește polarizată. Lumina produsă de o sursă naturală nu este polarizată.

Literatură:

1. N.M. Godzhaev "Optics", - Moscova: " liceu", 1977.
2. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. Fizică, optică, - Moscova: „Școala superioară”, 2003.
3. A.A. Pinsky Physics, clasa a XI-a, - Moscova: „Iluminarea”, 2002.

polarizarea luminii. Informații teoretice de bază

Fenomenul de polarizare a luminii este fenomenul de apariție a unei anumite orientări a vectorului undelor luminoase în spațiu [literatura principală 1, 2, 3] .

Din teoria lui Maxwell se știe că o undă electromagnetică este transversală, adică , unde este direcția de propagare a undei. Orientarea unui vector într-un plan poate fi determinată prin următoarele raționamente și observații.

Să presupunem mai întâi că vectorul(Fig. 1) fix, adică nu își schimbă poziția în plan perpendicular pe direcția de propagare a undei. În acest caz, proiecțiile vectorului pe diferite planuri care trec prin X, va fi diferit.

Orez. 1. şi - două plane arbitrare care trec prin direcţia de propagare a undei X

De exemplu, în fig. 1 în mp. , iar în mp. , unde este unghiul dintre plane și .

Diferența dintre proiecțiile vectorului pe plan și ar trebui să conducă la faptul că unda va prezenta proprietăți diferite în raport cu planurile și .

O experienta:în cazul general, undele care se propagă direct de la sursă nu prezintă asemenea proprietăți. Faptul experimental obţinut înseamnă că ipoteza de mai sus despre poziţia fixă ​​a vectorului în planul perpendicular pe direcţia de propagare a undei nu corespunde realităţii.

O astfel de concluzie este în conformitate cu natura radiației. undă luminoasă de la sursă naturală constă din multe trenuri de valuri emise de atomi individuali. Planul de oscilație (adică planul trasat prin direcția vectorului de undă și direcția fasciculului) pentru fiecare tren este orientat aleatoriu. Prin urmare, în lumină naturală, într-un plan perpendicular pe fascicul, sunt prezente simultan oscilații în toate direcțiile posibile ale vectorului (Fig. 2). Probabilitățile de realizare a lor sunt aceleași.

Orez. 2. Instantaneu vectorial lumina naturala intr-un plan perpendicular pe directia de propagare a undei

Prin urmare, valoarea vectorului, mediată în timpul de observare, va fi aceeași în orice plan care trece prin direcția fasciculului. Acest lucru ar trebui ca unda să prezinte aceleași proprietăți în raport cu oricare dintre aceste planuri. Este exact ceea ce se observă în experiență.

Pentru ușurința analizei unor procese de manifestare a luminii, lumina naturală poate fi considerată ca o anumită undă transversală rezultată din toate trenurile, care poate fi considerată monocromatică, în care direcția vectorului într-un plan perpendicular pe direcția de propagare rapidă și se înlocuiesc la întâmplare [ literatură suplimentară 2, 3]

Direcția de propagare a undei;

Circular polarizare - dreapta sau stânga, în funcție de sensul de rotație al vectorului de inducție;

Eliptic polarizare - un caz intermediar între polarizările circulare și cele liniare.

Radiația incoerentă poate să nu fie polarizată sau să fie total sau parțial polarizat în oricare dintre modurile de mai sus. În acest caz, conceptul de polarizare este înțeles statistic.

În considerarea teoretică a polarizării, se presupune că unda se propagă orizontal. Apoi putem vorbi de polarizări liniare verticale și orizontale ale undei.

Liniar Circular Eliptic

Teoria fenomenului

O undă electromagnetică poate fi descompusă (atât teoretic, cât și practic) în două componente polarizate, de exemplu polarizate vertical și orizontal. Alte expansiuni sunt posibile, de exemplu, într-o pereche diferită de direcții reciproc perpendiculare, sau în două componente având polarizare circulară stânga și dreapta. Când încercați să extindeți o undă polarizată liniar în polarizări circulare (sau invers), vor apărea două componente de jumătate de intensitate.

Din punct de vedere cuantic și clasic, polarizarea poate fi descrisă printr-un vector complex bidimensional ( Vectorul Jones). Polarizarea fotonului este o implementare a q-bit.

Radiația antenei are de obicei polarizare liniară.

Schimbând polarizarea luminii la reflectarea de la suprafață, se poate aprecia structura suprafeței, constantele optice și grosimea probei.

Dacă lumina împrăștiată este polarizată, atunci folosind un filtru de polarizare cu o polarizare diferită, este posibil să se limiteze trecerea luminii. Intensitatea luminii care trece prin polarizatoare respectă legea Malus. LCD-urile funcționează pe acest principiu.

Unele ființe vii, cum ar fi albinele, sunt capabile să distingă polarizarea liniară a luminii, ceea ce le oferă oportunități suplimentare de orientare în spațiu. S-a descoperit că unele animale, cum ar fi creveții păun, sunt capabile să distingă lumina polarizată circular, adică lumina cu polarizare circulară.

Istoria descoperirilor

Descoperirea undelor de lumină polarizată a fost precedată de munca multor oameni de știință. În 1669, omul de știință danez E. Bartholin a raportat experimentele sale cu cristale calcaroase (CaCO3), cel mai adesea sub forma unui romboedru obișnuit, care au fost aduse de marinarii care se întorceau din Islanda. A fost surprins să descopere că un fascicul de lumină care trece printr-un cristal se împarte în două fascicule (numite acum obișnuit și extraordinar). Bartholin a efectuat un studiu amănunțit al fenomenului dublei refracții descoperit de el, dar nu a putut da o explicație. La douăzeci de ani după experimentele lui E. Bartholin, descoperirea sa a atras atenția savantului olandez H. Huygens. El însuși a început să investigheze proprietățile cristalelor spate din Islanda și a dat o explicație pentru fenomenul dublei refracții pe baza teoriei sale ondulatorii a luminii. În același timp, a introdus conceptul important al axei optice a unui cristal, în timpul rotației în jurul căruia nu există anizotropie a proprietăților cristalului, adică dependența lor de direcție (desigur, nu toate cristalele au o astfel de axă). ). În experimentele sale, Huygens a mers mai departe decât Bartholin, trecând ambele fascicule care au ieșit dintr-un cristal spatar islandez printr-un al doilea cristal similar. S-a dovedit că, dacă axele optice ale ambelor cristale sunt paralele, atunci descompunerea ulterioară a acestor raze nu mai are loc. Dacă al doilea romboedru este rotit cu 180 de grade în jurul direcției de propagare a unei raze obișnuite, atunci când trece prin al doilea cristal, raza extraordinară suferă o deplasare în direcția opusă deplasării primului cristal și ambele raze vor veni dintr-un astfel de sistem conectat într-un singur fascicul. S-a mai constatat că, în funcție de unghiul dintre axele optice ale cristalelor, se modifică intensitatea razelor obișnuite și extraordinare. Aceste studii l-au adus pe Huygens aproape de descoperirea fenomenului de polarizare a luminii, dar el nu a putut face un pas decisiv, deoarece undele luminoase în teoria sa se presupuneau a fi longitudinale. Pentru a explica experimentele lui H. Huygens, I. Newton, care a aderat la teoria corpusculară a luminii, a prezentat ideea absenței simetriei axiale a unui fascicul de lumină și a făcut astfel un pas important către înțelegerea polarizării luminii. . În 1808, fizicianul francez E. Malus, privind printr-o bucată de spate islandeză la ferestrele Palatului Luxemburg din Paris, strălucind în razele soarelui apus, a observat spre surprinderea sa că la o anumită poziție a cristalului, doar era vizibilă o imagine. Pe baza acestui experiment și a altor experimente și pe baza teoriei corpusculare a luminii a lui Newton, el a sugerat că corpusculii din lumina soarelui sunt orientați aleatoriu, dar după reflectarea de la o suprafață sau trecând printr-un cristal anizotrop, aceștia capătă o anumită orientare. O astfel de lumină „ordonată” a numit-o polarizată.

Parametrii Stokes

Reprezentarea polarizării în termeni de parametrii Stokes pe sfera Poincaré

În general, o undă plană monocromatică are polarizare eliptică dreapta sau stânga. Caracteristica completă a elipsei este dată de trei parametri, de exemplu, semilungimile laturilor dreptunghiului în care este înscrisă elipsa de polarizare. A 1 , A 2 și diferența de fază φ, sau semiaxele elipsei A , bși unghiul ψ dintre axă Xși axa majoră a elipsei. Este convenabil să descriem o undă polarizată eliptic pe baza parametrilor Stokes:

, ,

Doar trei dintre ele sunt independente, deoarece identitatea este adevărată:

Dacă introducem un unghi auxiliar χ, definit prin expresie (semnul corespunde la dreapta, iar - la polarizarea stângă), atunci putem obține următoarele expresii pentru parametrii Stokes:

Pe baza acestor formule, este posibil să se caracterizeze polarizarea unei unde luminoase într-un mod geometric clar. În acest caz, parametrii Stokes , , sunt interpretați ca coordonatele carteziene ale unui punct situat pe suprafața unei sfere de rază . Unghiurile și au semnificația coordonatelor unghiulare sferice ale acestui punct. O astfel de reprezentare geometrică a fost propusă de Poincaré, așa că această sferă se numește sfera Poincaré.

Alături de , , sunt utilizați și parametrii Stokes normalizați , ,. Pentru lumina polarizata .

Vezi si

Literatură

• Akhmanov S.A., Nikitin S.Yu. - Optica fizica, editia a II-a, M. - 2004.
• Born M., Wolf E. - Fundamentele opticii, ediția a II-a, revăzută, trad. din engleză, M. - 1973

Note

Fundația Wikimedia. 2010 .

Vedeți ce este „Polarizarea luminii” în alte dicționare:

Fiz. caracteristica optică. radiație, care descrie anizotropia transversală a undelor luminoase, adică neechivalența dec. direcții într-un plan perpendicular pe fasciculul luminos. Primele indicii ale anizotropiei transversale a unui fascicul de lumină au fost obținute... Enciclopedia fizică

Enciclopedia modernă

Polarizarea luminii- POLARIZAREA LUMINII, ordinea în orientarea vectorului de intensitate al câmpurilor electrice E și magnetice H ale unei unde luminoase într-un plan perpendicular pe propagarea luminii. Există o polarizare liniară a luminii, atunci când E rămâne constantă ... ... Dicţionar Enciclopedic Ilustrat

polarizarea luminii- polarizare Proprietate a luminii caracterizată prin ordonarea spațio-temporală a orientării vectorilor magnetici și electrici. Note 1. În funcție de tipurile de ordonare, se disting: polarizare liniară, eliptică ... ...

- (lat. din polus). Proprietatea razelor de lumină care, atunci când sunt reflectate sau refractate, își pierd capacitatea de a fi reflectate sau refractate din nou în direcții cunoscute. Dicționar de cuvinte străine incluse în limba rusă. Chudinov A.N.,… … Dicționar de cuvinte străine ale limbii ruse

Ordinea în orientarea vectorilor de intensitate ai câmpurilor electrice E și magnetice H ai unei unde luminoase într-un plan perpendicular pe fasciculul luminos. Distingeți polarizarea liniară a luminii atunci când E menține o direcție constantă (după planul ... ... Dicţionar enciclopedic mare

polarizarea [luminii]- Ordinea orientării vectorului câmpului electromagnetic al undei luminoase într-un plan perpendicular pe direcția de propagare a fasciculului luminos; principiul P. este utilizat în proiectarea unui microscop polarizant [Arefiev V.A., Lisovenko L.A. ... ... Manualul Traducătorului Tehnic

Ordinea orientării vectorilor de forță ale câmpurilor electrice E și magnetice H ale unei unde luminoase într-un plan perpendicular pe fasciculul de lumină. Distingeți polarizarea liniară a luminii atunci când E menține o direcție constantă (plan ... ... Dicţionar enciclopedic

Polarizare polarizare [a luminii]. Ordonarea orientării vectorului câmpului electromagnetic al undei luminoase într-un plan perpendicular pe direcția de propagare a fasciculului luminos; principiul lui P. este utilizat în proiectarea unui microscop polarizant ... Biologie moleculară și genetică. Dicţionar.

polarizarea luminii- šviesos poliarizacija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. polarizarea luminii vok. Lichtpolarisation, f rus. polarizarea luminii, f pranc. polarization de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas