Хвилі бувають двох видів. В поздовжніх коливальний обурення паралельно напрямку їх поширення. Прикладом може служити проходження звуку в повітрі. Поперечні хвилі складаються з збурень, які знаходяться під кутом 90° до напрямку переміщення. Так, наприклад, хвиля, проходячи горизонтально через масу води, викликає вертикальні коливання на її поверхні.

Відкриття явища

Ряд загадкових оптичних ефектів, які спостерігаються в середині XVII століття, був пояснений, коли поляризований і природний світ почав розглядатися як хвильовий феномен і були виявлені напрямки його коливань. Перший так званий ефект поляризації був відкритий датським лікарем Еразм Бартолином в 1669 році. Вчений спостерігав подвійне заломлення, або подвійне лучепреломление, в ісландському шпате, або кальците (кристалічній формі карбонату кальцію). Коли світло проходить через кальцит, кристал розщеплює його, виробляючи два зображення, зміщені відносно один одного.


Ньютон знав про це явище і припустив, що, можливо, корпускули світу мають асиметрією або «однобічність», яка могла б бути причиною формування двох зображень. Гюйгенс, сучасник Ньютона, зміг пояснити подвійне заломлення своєю теорією елементарних хвиль, але він не зрозумів істинного сенсу ефекту. Подвійне лучепреломление залишалося загадкою, поки Томас Юнг і фізик з Франції Огюстен Жан Френель не припустили, що світлові хвилі є поперечними. Проста ідея дозволила пояснити, що таке поляризоване і природне світло. Це забезпечило природну і неосложненную основу для аналізу поляризаційних ефектів.


Подвійне лучепреломление викликано комбінацією двох перпендикулярних поляризацій, кожна з яких володіє своєю швидкістю хвилі. З-за різниці в швидкості дві складові мають різні показники заломлення, і тому вони по-різному переломлюються через матеріал, виробляючи два зображення.

Поляризований і природне світло: теорія Максвелла

Френель швидко розробив комплексну модель поперечних хвиль, які приводили до подвійного лучепреломлению і ряду інших оптичних ефектів. Через сорок років електромагнітна теорія Максвелла елегантно пояснила поперечну природу світла. Електромагнітні хвилі Максвелла складені з магнітних і електричних полів, що коливаються перпендикулярно до напрямку переміщення. Поля знаходяться під кутом 90° один до одного. При цьому напрямку розповсюдження магнітного і електричного полів утворюють праву систему координат. Для хвилі з частотою f і довжиною ? (вони пов'язані залежністю ?f = з ), яка рухається в позитивному напрямку х, поля описуються математично:

E(x, t) = E 0 cos (2 ? x/? - 2 ? ft)y^;

B(x, t) = B 0 cos (2 ? x/? - 2 ? ft)z^.

Рівняння показують, що електричне і магнітне поля знаходяться у фазі один з одним. У будь-який даний момент часу вони одночасно досягають своїх максимальних значень у просторі, рівних Е 0 і В 0 . Ці амплітуди не є незалежними. Рівняння Максвелла показують, що Е 0 = cB 0 для всіх електромагнітних хвиль у вакуумі.

Напрямки поляризації

В описі орієнтації магнітного і електричного полів хвилі світла зазвичай вказують лише напрямок електричного поля. Вектор магнітного поля визначається вимогою про перпендикулярності полів і їх перпендикулярності до напрямку руху. Природний і лінійно поляризоване світло відрізняється тим, що в останньому поля осциллируют у фіксованих напрямках по мірі переміщення хвилі. Можливі й інші стани поляризації. У випадку кругової вектори магнітного і електричного полів обертаються відносно напрямку поширення з постійною амплітудою. Еліптично поляризоване світло знаходиться в проміжному положенні між лінійної та кругової поляризациями.

Неполяризоване світло

Атоми на поверхні нагрітої нитки розжарювання, які генерують електромагнітне випромінювання, що діють незалежно один від одного. Кожне випромінювання можна приблизно змоделювати в вигляді коротких цугов тривалістю від 10 -9 до 10 -8 секунди. Електромагнітна хвиля, що виходить від нитки розжарювання, представляє собою суперпозицію цих цугов, кожен з яких має власний напрям поляризації. Сума орієнтованих випадковим чином цугов утворює хвилю, вектор поляризації якої змінюється швидко і безладно. Така хвиля називається неполяризованной. Всі природні джерела світла, включаючи Сонце, лампи розжарювання, люмінесцентні лампи і полум'я, виробляють таке випромінювання. Однак природне світло часто буває частково поляризованим з-за багаторазового розсіювання та відбиття. Таким чином, відмінність поляризованого світла від природного полягає в тому, що в першому коливання відбуваються в одній площині.

Джерела поляризованого випромінювання

Поляризоване світло може бути здійснено у випадках, коли визначена просторова орієнтація. Одним з прикладів є синхротронне випромінювання, при якому високоенергичние заряджені частинки рухаються в магнітному полі і випромінюють поляризовані електромагнітні хвилі. Існує багато відомих астрономічних джерел, випромінювальних природно поляризоване світло. В їх число входять туманності, залишки наднових і активні галактичні ядра. Поляризація космічного випромінювання вивчається для того, щоб визначити властивості його джерел.

Фільтр поляроїд

Поляризований і природне світло розділяються при проходженні через ряд матеріалів, найбільш поширеним з яких є поляроїд, створений американським фізиком Едвіном Лендом. Фільтр складається з довгих ланцюжків молекул вуглеводнів, орієнтованих в одному напрямку шляхом процесу термічної обробки. Молекули вибірково поглинають випромінювання, електричне поле якого паралельно їх орієнтації. Світло, що виходить з поляроида, лінійно поляризований. Його електричне поле перпендикулярно напрямку орієнтації молекул. Поляроїд знайшов застосування в багатьох областях, включаючи сонцезахисні окуляри і світлофільтри, знижують ефект відбитого і розсіяного світла.

Природне і поляризоване світло: закон Малюса

У 1808 році фізик Етьєн-Луї Малюс виявив, що світло, відбите від неметалічних поверхонь, частково поляризується. Ступінь цього ефекту залежить від кута падіння і показника заломлення відбиваючого матеріалу. В одному з крайніх випадків, коли тангенс кута падіння променя в повітрі дорівнює показнику заломлення відбиваючого матеріалу, відбите світло стає повністю лінійно поляризованим. Це явище відоме як закон Брюстера (названий так на честь його першовідкривача, шотландського фізика Девіда Брюстера). Напрямок поляризації паралельно поверхні, що відбиває. Так як денні відблиски, як правило, виникають при відображенні від горизонтальних поверхонь, таких як дороги і вода, в сонячних окулярах часто використовуються фільтри, щоб зняти горизонтально поляризований світло і, отже, вибірково видалити відблиски світла.

Релеевское розсіяння

Розсіяння світла дуже дрібними об'єктами, розміри яких набагато менше довжини хвилі (так зване релеевское розсіяння по імені англійського вченого лорда Релея), також створює часткову поляризацію. Коли сонячне проміння проходить через атмосферу землі, воно розсіюється молекулами повітря. Землі досягає розсіяний поляризований і природне світло. Ступінь поляризації залежить від кута розсіювання. Оскільки людина не розрізняє природне та поляризоване світло, то цей ефект, як правило, залишається непоміченим. Тим не менш очі багатьох комах на нього реагують, і вони використовують відносну поляризацію розсіяного випромінювання як навігаційний інструмент. Звичайний світлофільтр фотоапарата, який застосовується для зменшення фонового випромінювання при яскравому сонячному освітленні, являє собою простий лінійний поляризатор, який розділяє природне і поляризоване світло Релея.

Анізотропні матеріали

Ефекти поляризації спостерігаються в оптично анізотропних матеріалах (в яких показник заломлення змінюється з напрямком поляризації), таких як двулучепреломляющие кристали, деякі біологічні структури і оптично активні матеріали. Технологічне застосування включає поляризаційні мікроскопи, рідкокристалічні дисплеї та оптичні прилади, використовувані для дослідження матеріалів.