ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА, одно из фундаментальных свойств оптического излучения (света), состоящее в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны). П. с. наз. также геометрич. характеристики, к-рые отражают особенности этого неравноправия. Впервые понятие о П. с. было введено в оптику И. Ньютоном в 1704-06, хотя явления, обусловленные ею, изучались и ранее (открытие двойного лучепреломления в кристаллах Э. Бартолином в 1669 и его тео.ретич. рассмотрение X. Гюйгенсом в 1678-90). Сам термин "П. с." предложен в 1808 Э. Малюсом. С его именем и с именами Ж. Био, О. Френеля, Д. Араго, Д. Брюстера и др. связано начало широкого исследования эффектов, в основе к-рых лежит П. с.

Существ. значение для понимания П. с. имело её проявление в эффекте интерференции света. Именно тот факт, что два световых луча, линейно поляризованных (см. ниже) под прямым углом друг к другу, при простейшей постановке опыта не интерферируют, явился решающим доказательством поперечности световых волн (Френель, Араго, Т. Юнг, 1816-19). П. с. нашла естеств. объяснение в электромагнитной теории света Дж. К. Максвелла (1865-73) (см. Оптика).

Поперечность световых волн (как и любых др. электромагнитных волн) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряжённости электрического поля Е и напряжённости магнитного поля Н перпендикулярны направлению распространения волны. Б к Н выделяют (отсюда указанное выше неравноправие) определённые направления в пространстве, занятом волной. Кроме того, Е и Н почти всегда (об исключениях см. ниже) взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния П. с. требуется знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор Е.

Световой импульс, испускаемый к.-л. . отдельно взятым элементарным излучателем (атом, молекула) в единичном акте излучения, всегда поляризован полностью. Но макроскопич. источники света состоят из огромного числа таких частиц-излучателей; пространств. ориентации векторов Е (и моменты актов излучения) световых импульсов отд. частиц в большинстве случаев распределены хаотически (это не относится, напр., к лазерам!). Кроме того, поляризация меняется в результате процессов взаимодействия между частицами-излучателями. Поэтому в общем излучении подавляющего большинства источников направление Е не определено (оно непрерывно и беспорядочно меняется за чрезвычайно малые промежутки времени). Подобное излучение наз. неполяризованным, или естественным, светом. Е, как и всякий вектор, всегда можно представить в виде суммы его проекций на 2 взаимно перпендикулярных направления (выбираемых в плоскости, поперечной направлению распространения света). В естеств. свете разность фаз между такими проекциями непрерывно и хаотически меняется. В полностью поляризованном свете эта разность фаз строго постоянна, т. е. взаимно перпендикулярные компоненты Е когерентны (см. Когерентность). Создав определённые условия на пути распространения естеств. света, можно выделить из него поляризованную (полностью или частично) составляющую. Кроме того, полная или частичная (о смысле этого понятия см. ниже) П. с. возникает в ряде природных процессов испускания света и его взаимодействия с веществом.

Полную поляризацию монохроматического света характеризуют проекцией траектории конца вектора Е (рис. 1) в каждой точке луча на плоскость, перпендикулярную лучу. В самом общем случае т. н. эллиптической поляризации такая проекция -эллипс, что легко понять, учитывая постоянство разности фаз между взаимно перпендикулярными компонентами Е и одинаковость частоты их колебаний в монохроматической волне. Для полного описания эллиптич. П. с. необходимо знать направление вращения Е по эллипсу (правое или левое), ориентацию осей эллипса и его эксцентриситет (см., напр., рис. 2, б, г, е). Наибольший интерес представляют предельные случаи эллиптич. П. с.- линейная П. с. (разность фаз 0, kп, где k - целое число, рис. 2, а и д), когда эллипс вырождается в отрезок прямой, и круговая, или циркулярная, П. с. [разность фаз ±(2k + 1)п/2], при к-рой эллипс поляризации превращается в окружность. Определяя состояние линейно- или пло-скополяризованного света, достаточно указать положение плоскости поляризации света, поляризованного по кругу,- направление вращения (правое -рис. 2, в, или левое). В сложных неоднородных световых волнах (напр., в металлах или при полном внутреннем отражении) мгновенные направления векторов Е и Н уже не связаны простым соотношением ортогональности, и для полного описания П. с. в таких волнах требуется знание поведения каждого из этих векторов по отдельности.

Рис. 1. Колебания проекций электрического вектора Е световой волны на взаимно перпендикулярные оси х и у (г - направление распространения волны, перпендикулярное как х, так и у). 6 и в -моментальные изображения колебаний и соответствующей огибающей концов полного вектора Е в разных точках волны для случая, когда вертикальные (по оси х) колебания на четверть периода (90°) опережают горизонтальные (по оси у). В каждой одной точке конец Е в этом случае описывает окружность. Стрелки на в нанесены лишь для того, чтобы яснее показать вид правого винта. Винтовая поверхность отнюдь не вращается вокруг z при прохождении волны. Напротив, следует представлять, что вся винтовая поверхность как целое, не вращаясь, переносится вдоль z со скоростью волны.

Рис. 2. Примеры различных поляризаций светового луча (траекторий конца электрического вектора Е в к.-л. одной точке луча) при различных разностях фаз между взаимно перпендикулярными компонентами Ех и Еу. Плоскость рисунков перпендикулярна направлению распространения света: а и д - линейные поляризации; в - правая круговая поляризация; б, г и е - эллиптические поляризации различной ориентации. Приведённые рисунки соответствуют положительным разностям фаз б (опережению вертикальных колебаний по сравнению с горизонтальными). X -длина волны света.

Если фазовое соотношение между компонентами (проекциями) Е меняется за времена, много меньшие времени измерения П. с., нельзя говорить о полной П. с. Однако может случиться, что в составляющих пучок света монохроматич. волнах Е меняется не совершенно хаотически, а между взаимно перпендикулярными компонентами Е существует нек-рый преимущественный фазовый сдвиг (фазовая корреляция), сохраняющийся в течение достаточно длительного времени. Физически это означает, что в поле световой волны амплитуда проекции Е на одно из взаимно перпендикулярных направлений всегда больше, чем на другое. Степень подобной фазовой корреляции в таком - частично поляризованном - свете описывают параметром р - степенью П. с. Так, если преимуществ, фазовый сдвиг равен О, свет частично линейно поляризован; ± п/2-частично поляризован по кругу. Частично поляризованный свет можно рассматривать как "смесь" двух крайних видов -полностью поляризованного и естественного. Их соотношение и характеризуют параметром р, к-рый часто (но не всегда) определяют как |I₁-I₂|/(I₁+I₂). где индексы 1 и 2 относятся к интенсив-ностям I света двух чортогональных" поляризаций, напр, линейных во взаимно перпендикулярных плоскостях или соответствующих правой и левой круговым поляризациям; р может меняться от О до 100%, отражая все количеств. градации состояния П. с. (Следует иметь в виду, что свет, проявляющийся в одних опытах как неполяризованный, в других может оказаться полностью поляризованным - с П. с., меняющейся во времени, по сечению пучка или по спектру.)

В квантовой оптике электромагнитное излучение рассматривают как поток фотонов (см. Излучение, Квантовая механика. Оптика). Состояния П. с. с квантовой точки зрения определяются тем, каким моментом количества движения обладают фотоны в потоке. Так, фотоны с круговой поляризацией (правой или левой) обладают моментом, равным ±h (h - Планка постоянная). Любое состояние П. с. может быть выражено всего через два т. н. базисных состояния. При описании П. с. выбор пары исходных базисных состояний неоднозначен - ими могут служить, напр., любые две взаимно-ортогональные линейные П. с., правая и левая круговые П. с. и т. д., причём в каждом случае от одной пары базисных состояний можно по определённым правилам перейти к др. паре.

Эта неоднозначность имеет в квантовом подходе принципиальный характер, однако -"произвол" обычно ограничивают конкретные физич. условия: наиболее удобно выбирать за базисную пару такие состояния П. с., к-рые преобладают в актах испускания фотонов элементарными излучателями либо определяют рассматриваемый процесс взаимодействия света и вещества. (Определение состояния П. с. на опыте осуществляется с помощью такого взаимодействия; по общим правилам квантовой механики подобный эксперимент всегда меняет -иногда пренебрежимо мало, иногда существенно - исходную П. с.) Базисные состояния и состояния, описываемые любой линейной комбинацией базисных (суперпозицией, см. Суперпозиции принцип), наз. чистыми. Они соответствуют полной П. с., со степенью П. с. 100%. Фотоны могут находиться не только в чистых, но и в т. н. смешанных состояниях, в к-рых степень их поляризации меньше 100% и может доходить до нуля (естеств. свет). Смешанные состояния также выражаются через базисные, но более сложным образом, чем линейная суперпозиция (их наз. некогерентной смесью чистых состояний). Взаимодействие света и вещества может в определённых условиях приводить к полному или частичному "выделению" чистых состояний из смешанных (за счёт упомянутого выше изменения П. с. при таком взаимодействии).

Это явление используется для получения полностью поляризованного света или увеличения степени П. с. во мн. поляризационных приборах. Если за базисные состояния П. с. выбраны две круговые (правая и левая) П. с., то при их наложении (когерентной суперпозиции) в равных долях наблюдается линейная П. с.; суперпозиции их в различных др. соотношениях дают эллиптические П. с. со всевозможными характеристиками. Через эти же базисные состояния могут быть выражены любые смешанные состояния. Т. о., тот или иной выбор всего двух базисных состояний даёт возможность описать все состояния П. с.

Эксперименты подтверждают теоре-тич. вывод о том, что каждый фотон, поляризованный по кругу, обладает моментом количества движения h = h/2п (см. Оптическая ориентация, Садовского эффект). Характер поляризации фотонов определяется законом сохранения момента количества движения системы элементарный излучатель - испущенный фотон (при условии, что взаимодействием отд. излучателей между собой можно пренебречь).

Кроме особенностей элементарных актов излучения, к частичной (а иногда и полной) П. с. приводит множество фи-зич. процессов. К ним относятся, напр., отражение света и преломление света, при к-рых П. с. обусловлена различием оптич. характеристик границы раздела двух сред для компонент светового пучка, поляризованных параллельно и перпендикулярно плоскости падения (см. Брюстера закон). Свет может поляризоваться при прохождении через среды, обладающие естеств. или вызванной внеш. воздействиями (индуцированной) оптической анизотропией (вследствие неодинаковости коэффициентов поглощения света при различных состояниях П. с., напр. при правой и левой круговых П. с.-т. н. круговой дихроизм, являющийся частным случаем плеохроизма‘, вследствие различия преломления показателей среды для лучей различных линейных поляризаций - двойного лучепреломления, см. также Кристаллооптика). Очень часто полностью поляризовано излучение лазеров‘, одной из осн. (но не единственной!) причин П. с. в лазерах является специфич. характер вынужденного излучения, при к-ром поляризации испускаемого фотона и фотона, вызвавшего акт испускания, абсолютно тождественны; т. о. при лавинообразном умножении числа испускаемых фотонов в лазерном импульсе их поляризации могут быть совершенно одинаковыми. П. с. возникает при резонансном излучении в парах, жидкостях и твёрдых телах. П. с. при рассеянии света столь характерна, что её исследование - один из осн. способов изучения как особенностей и условий самого рассеяния, так и свойств рассеивающих центров, в частности их структуры и взаимодействия между собой (см., напр., Атмосферная оптика, Комбинационное рассеяние света, Поляризация небесного свода). (При рассеянии поляризованного света происходит и его деполяризация - уменьшение степени П. с.) В определённых условиях сильно поляризовано люминесцентное свечение (см. Люминесценция), особенно при возбуждении его поляризованным светом. П. с. весьма чувствительна к величине напряжённости и ориентации электрич. и магнитных полей; в сильных полях компоненты, на к-рые расщепляются спектральные линии испускания, поглощения и люминесценции газообразных и конденсированных систем, оказываются поляризованными (см. Зеемана эффект, Магнитооптика, Штарка эффект).

Одним из эффектов интерференции поляризованных лучей света является хроматическая П. с.

Характерная для всех интерференционных явлений зависимость от длины волны ("цвета") излучения приводит при этой "П. с." (как показывает само название) к окрашиванию интерференционной картины, если исходный поток был белым светом. Обычная схема получения картины хроматич. П. с. в параллельных лучах приведена на рис. 3. В зависимости от разности хода обыкновенного и необыкновенного лучей, приобретаемой в двулучепреломляющей пластинке, наблюдатель видит эту пластинку (в свете, выходящем из анализатора) тёмной или светлой в монохроматич. свете либо окрашенной - в белом. Если пластинка неоднородна по толщине или по показателю преломления, её участки, в к-рых эти параметры одинаковы, видны соответственно одинаково тёмными или светлыми либо одинаково окрашенными. Линии одинаковой цветности называют изохромами. Схема для наблюдения хроматической П. с. в сходящихся лучах показана на рис. 4, а получаемые при этом картины - на рис. 5.

Рис. 3. Схема наблюдения интерференции поляризованных лучей (хроматической поляризации) в параллельном световом потоке. Поляризатор N1 пропускает лишь одну линейно поляризованную (в направлении N1N1) составляющую исходного пучка. В пластинке К, вырезанной из двулучепреломляющего одноосного кристалла параллельно его оптической оси ОО и установленной перпендикулярно пучку, плоскополяризованный луч разделяется на составляющую А₀ с колебаниями электрического вектора, параллельными ОО (необыкновенный луч), и составляющую А_О, колебания электрического вектора к-рой перпендикулярны ОО (обыкновенный луч). Показатели преломления материала пластинки К для этих двух лучей (пе и по) различны, а следовательно, различны скорости их распространения в К, вследствие чего эти лучи, распространяясь по одному направлению, приобретают разность хода. Разность фаз их колебаний при выходе из К равна s =

= (1/X)-2п/(n_o - n_е), где l - толщина К, X - длина волны падающего света. Анализатор N₂ пропускает из каждого луча только его слагающую с колебаниями, лежащими в плоскости его главного сечения N₂N₂. Если N₁ПЕРПАНДИКУЛЯРНО N₂ (оптические оси анализатора и поляризатора скрещены), амплитуды слагающих А1 и А2 равны, а разность их фаз Д = б + п. Они когерентны и интерферируют между собой. В зависимости от величины Д на к.-л. участке пластинки К наблюдатель увидит этот участок тёмным [Д -= (2/k + 1)п, k - целое число] или светлым (Д = 2/kп) в монохроматическом свете и окрашенным - в белом свете.

Рис. 4. Схема для наблюдения хроматической поляризации в сходящихся лучах. N₁ - поляризатор, N₂- анализатор; К - пластинка толщиной l, вырезанная из одноосного двулучепреломляющего кристалла параллельно его оптической оси; L₁, L₂ - линзы. Лучи разного наклона проходят в К разные пути, приобретая разности хода (различные для обыкновенного и необыкновенного лучей). По выходе из анализатора они интерферируют, давая характерные интерференционные картины, показанные на рис. 5.

Рис. 5. Интерференционные картины хроматической поляризации в сходящихся лучах при условии, что оптические оси анализатора и поляризатора скрещены (N₁  |   N₂, см. рис. 4). а - срез кристаллической пластинки К перпендикулярен её оптической оси; б - срез параллелен оптической оси. Если падающий на анализатор свет - белый, картины приобретают сложную характерную окраску.

На мн. из перечисленных явлений основаны принципы действия разнообразных поляризационных приборов, с помощью которых не только анализируют состояние П. с., испускаемого внеш. источниками, но и получают требуемую П. с. и преобразуют одни её виды в другие.

Особенности взаимодействия поляризованного света с веществом обусловили его исключительно широкое применение в науч. исследованиях кристаллохимич. и магнитной структуры твёрдых тел, строения биологич. объектов (напр., поляризационная микроскопия, см. Микроскоп), состояний элементарных излучателей и их отд. центров, ответственных за квантовые переходы, для получения информации о чрезвычайно удалённых (в частности, астрофизических) объектах. Вообще, П. с. как существенно анизотропное свойство излучения позволяет изучать все виды анизотропии вещества -поведение газообразных, жидких и твёрдых тел в полях анизотропных возмущений (механических, звуковых, электрических, магнитных, световых), в кристаллооптике - структуру кристаллов (в подавляющем большинстве - оптически анизотропных), в технике (напр., в машиностроении) - упругие напряжения в конструкциях (см. Поляриэационно-оптический метод исследования напряжений) и т. д. Изучение П. с., испускаемого или рассеиваемого плазмой, играет важную роль в диагностике плазмы. Взаимодействие поляризованного света с веществом может приводить к оптической ориентации или т. н. выстраиванию атомов, генерации мощного поляризованного излучения в лазерах и пр. Напротив, исследование деполяризации света при фотолюминесценции даёт сведения о взаимодействии поглощающих и излучающих центров в частицах вещества, при рассеянии света - ценные данные о структуре и свойствах рассеивающих молекул или иных частиц, в др. случаях - о протекании фазовых переходов и т. д. П. с. широко используется в технике, напр. при необходимости плавной регулировки интенсивности светового пучка (см. Малюса закон), для усиления контраста и устранения световых бликов в фотографии, при создании светофильтров, модуляторов излучения (см. Модуляция света), служащих одними из осн. элементов систем оптической локации и оптической связи, для изучения протекания химия, реакций, строения молекул, определения концентраций растворов (см. Поляриметрия, Сахариметрия) и мн. др. П. с. играет заметную роль в живой природе. Мн. живые существа способны чувствовать П. с., а нек-рые насекомые (пчёлы, муравьи) ориентируются в пространстве по поляризованному (в результате рассеяния в атмосфере) свечению голубого неба. При определённых условиях к П. с. становится чувствительным и человеческий глаз (т. н. явление Хайдингер а).

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Шерклифф У., Поляризованный свет, пер. с англ., М., 1965; Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Феофилов П. П., Поляризованная люминесценция атомов, молекул и кристаллов, М., 1959; Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б., Квантовая электродинамика, Зизд., М., 1969. В. С. Запасский.