Поляризация света: определение, отражение, преломление и рассеяние

Вы можете носить поляризованные солнцезащитные очки, но что это значит? Чем они отличаются от солнцезащитных очков других типов и чем они полезны? Поляризация, с точки зрения света, относится к процессу ориентации или фильтрации световых волн в одном направлении, что влияет на то, что вы видите.

Электромагнитная волна - это поперечная волна, состоящая из волны электрического поля, колеблющейся в плоскости перпендикулярно (под прямым углом) к волне магнитного поля, обе из которых перпендикулярны направлению движение.

Поскольку электромагнитное излучение действует как волна, любая конкретная электромагнитная волна или световая волна будет иметь связанные с ней частоту и длину волны. Произведение длины волны и частоты - это скорость волны.

Однако электромагнитные волны не требуют среды для распространения и, следовательно, могут пересекают вакуум пустого пространства (что они делают со скоростью света - самой быстрой скоростью в мире). Вселенная).

Электромагнитные волны бывают разных видов, включая радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Кроме того, поскольку электромагнитная волна является поперечной с амплитудой, перпендикулярной направлению движения, она может быть поляризована - существует много возможных плоскостей, перпендикулярных направлению движения, но поляризованная волна будет иметь поперечную амплитуду только в одной из их. Продольные волны, такие как звуковые волны, имеют смещение только в направлении движения, и поэтому они не могут быть поляризованы.

Неполяризованные световые волны имеют несколько наложенных друг на друга ориентаций. Световые волны имеют как электрическое, так и магнитное поля, всегда под прямым углом друг к другу - по соглашению поляризация определяется направлением электрического поля. Глядя в лоб, мы можем увидеть векторы электрического поля, направленные во всех разных направлениях.

Когда свет проходит через поляризатор или поляризационный фильтр, фильтр пропускает только часть света с линиями электрического поля, ориентированными параллельно фильтру. В результате свет становится поляризованным - весь он ориентируется в одном направлении. Это линейная поляризация.

Свет от лампочек или солнца не поляризован. Наиболее распространенными источниками поляризованного света являются лазеры. Если два поляризационных фильтра держать под прямым углом друг к другу перед источником падающего света, весь свет будет заблокирован. Если угол меньше (например, 45 градусов), блокируется только часть света.

Поляризаторы света бывают трех типов: отражающие, дихроичные и двулучепреломляющие. Отражающие поляризаторы пропускают только определенную поляризацию света, отражая остальной; дихроичные поляризаторы делают противоположное, только блокируя определенную поляризацию света, позволяя проходить всем остальным. При двойном лучепреломлении разные поляризации света будут преломляться под разными углами, что позволяет выбирать разные поляризации света в зависимости от того, какая поляризация желательна.

Поляризация света - это то, как фильмы проецируются в 3D. 3D-очки, которые даются кинозрителям, на самом деле имеют противоположные поляризационные фильтры в каждой линзе; например, горизонтальный фильтр слева и вертикальный фильтр справа. Затем фильм проецируется на один и тот же экран с двух разных проекторов, один из которых проецирует свет с вертикальной поляризацией, а другой - с горизонтальной поляризацией. Затем левый глаз видит немного другое изображение, чем правый глаз, и мозг объединяет изображения, чтобы создать ощущение глубины.

Когда луч света падает на поверхность материала, часть света отражается, а часть преломляется (проходит через материал). Угол падающего света, необходимый для того, чтобы отраженный свет и преломленный свет находились под точным прямым углом, называется углом Брюстера.

Когда угол падения равен углу Брюстера (в зависимости от состава среды либо сторону поверхности), а падающий свет неполяризован, это вызовет линейную поляризацию отраженного света. свет. Если падающий свет имеет определенную поляризацию, характерную для материала, он будет только преломляться без отраженного света вообще.

Почему это происходит? Когда падающий свет временно поглощается атомами на поверхности материала, электроны в атомах материала колеблются. Поскольку световые волны являются поперечными, поляризация должна быть перпендикулярна направлению движения волны. Таким образом, если поляризация падающей волны находится в том направлении, в котором должна быть отраженная волна, отраженная волна не может существовать.

Если падающий свет неполяризован, отраженный свет будет поляризован горизонтально, параллельно отражающей поверхности. Это называется s-поляризованным светом. Свет с поляризацией в плоскости падения или плоскости, образованной направлением движения падающего света и вектором, перпендикулярным поверхности, называется p-поляризованным.

Поляризованные солнцезащитные очки используют концепцию угла Брюстера, чтобы уменьшить отражение солнечного света от горизонтальных поверхностей. Когда солнце находится низко в небе, много света с s-поляризацией отражается от таких поверхностей, как вода и дороги. Поляризованные солнцезащитные очки блокируют свет с такой поляризацией, уменьшая блики.

Рассеяние падающего света на молекулах воздуха вызывает линейную поляризацию света перпендикулярно плоскости падения. Молекулы воздуха несут свое собственное небольшое колебание в одном направлении, известном как дипольный момент, и излучают энергию перпендикулярно линии этого колебания. Итак, если дипольный момент молекулы колеблется взад и вперед на у-оси падающий неполяризованный свет будет рассеиваться от нее в Икс-направление, поляризованное в у-направление (параллельно диполю).

Если длина волны падающего света сравнима с размером молекул, это называется рассеянием Рэлея. Рэлеевское рассеяние отвечает за цвет неба, будь то темно-синий цвет прекрасного дня или темно-красный закат; цвета меняются в зависимости от угла падения солнечного света на атмосферу.

Поляризация также может происходить из-за преломления или изгиба света при переходе из одной среды в другую. Чаще всего поляризация происходит перпендикулярно поверхности.

Когда показатель преломления материала зависит от направления падения и поляризации света, это называется двойным лучепреломлением. В материалах с двойным лучепреломлением падающий луч света разделяется поляризацией на два луча внутри материала, которые проходят несколько разные пути.

Некоторые ученые подозревают, что кристалл с двойным лучепреломлением под названием «кальцит» мог использоваться викингами в качестве навигационное средство, так как его преломляющие поляризационные свойства могут быть использованы для определения местоположения солнца в пасмурный день или даже ниже горизонт.

Круговая поляризация - это состояние поляризации, при котором направление электрического поля вращается со временем по кругу с постоянной скоростью в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Это можно представить как вектор электрического поля, тянущий спираль вокруг оси распространения по мере распространения волны. (Также возможна эллиптическая поляризация, при которой спираль слегка сплющена в одном измерении.)

Если при взгляде в направлении источника света кажется, что вектор электрического поля вращается против часовой стрелки, свет называется правой круговой поляризацией. Если кажется, что вектор вращается по часовой стрелке, свет называется поляризованным влево по кругу.

Круговая поляризация создается двумя линейно поляризованными световыми волнами, поляризованными перпендикулярно друг другу, каждая из которых распространяется на 90 градусов не в фазе. Эллиптическая поляризация - это когда одна из этих световых волн имеет меньшую амплитуду, чем другая, создавая эллипс, а не круг.