ОПТИКА

Поляризация света

Описание электромагнитного излучения на на языке классических векторных полей (электрического и магнитного) подразумевает наличие наряду с частотой, интенсивностью и направлением распространения света дополнительной характеристики - поляризации излучения (описывается пространственной ориентацией вектора напряженности электрического поля). При распространении света в вакууме поляризация электромагнитных волн никак не связана с их интенсивностью и скоростью распространения. В материальных средах такая связь возникает, что открывает возможность создания разнообразных устройств, позволяющих селектировать излучение различных поляризаций (линейной, круговой, эллиптической, неполяризованный свет). В рамках квантовомеханического описания поляризация фотона может рассматриваться как характеристика его спинового состояния, специфика которого (отсутствие состояний с продольной поляризацией) обусловлена ультрарелятивистской природой этой частицы.

3-5

Простейшим нетривиальным решением системы уравнений максвелла для вакуума являются плоские монохроматические волны линейной поляризации. Векторы электрического и магнитного полей таких волн лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света. Существуют физические устройства (поляроиды), позволяющие выделять электромагнитные волны определенной поляризации.

3-5

В наиболее общем случае плоские монохроматические волны могут обладать не более, чем эллиптической поляризацией. Линейно поляризованный свет и излучение круговой поляризации могут рассматриваться как частные (предельные) случаи электромагнитных волн эллиптической поляризации.

3-5

Неполяризованный (естественный) свет представляет собой хаотическую последовательность очень коротких световых цугов, каждый из которых имеет определенное состояние поляризации (в общем случае - эллиптической). Инерционность реальных приемников излучения приводит к кажущемуся эффекту отсутствия поляризации у естественного света.

4-5

При распространении света в анизотропных средах в заданном направлении в общем случае оказывается возможным существование электромагнитных волн только двух линейных поляризаций, фазовые скорости которых оказываются различными. В анизотропных кристаллах существуют выделенные направления (оптические оси), при распространении вдоль которых фазовые скорости указанных волн совпадают, что означает возможность распространения света произвольной поляризации. Наличие зависимости эффективного показателя преломления от поляризации света в анизотропных средах приводит к явлению двулучеприломления и позволяет создавать разнообразные поляризационные устройства.

4-5

Различие фазовых скоростей распространения монохроматических волн различной поляризации в анизотропных средах позволяет создавать устройства, преобразующие свет линейной поляризации в эллиптически поляризованное излучение. Возможно обратное преобразование. Наиболее широко используются четвертьволновые пластинки, позволяющие получать свет круговой поляризации из линейно поляризованного.

4-5

При распространении света в веществе, помещенном во внешнее магнитное поле, оказывается возможным только существование электромагнитных волн круговой поляризации. При этом скорости волн со встречными поляризациями оказываются различными. В результате возникает явление искусственного вращения плоскости поляризации света в помещенном в магнитное поле образце (эффект Фарадея). Некоторые вещества, кристаллические решетки или отдельные молекулы которых не обладают симметрией относительно инверсии координат, проявляют способность к вращению плоскости поляризации в отсутствии магнитного поля (естественное вращение плоскости поляризации).

5

Векторный характер волновой функции фотона, являющийся квантовым аналогом классического свойства поляризации света, требует приписания ему единичного внутреннего (т.е. не связанного с пространственным перемещением) момента количества движения (аналог спина). Однако, ультрарелятивистский характер фотона (скорость движения равна С, масса покоя отсутствует) приводит к несколько необычным свойствам собственного момента импульса этой частицы. Например, оказывается невозможным четкое разделение полного момента импульса на орбитальный и спиновый, ряд допустимых для "обычных частиц" значений проекции момента импульса на направление движения для фотона оказываются запрещенными из-за свойства поперечности поляризации электромагнитных волн, которое является следствием отсутствия у фотона массы покоя.

Задачи для самостоятельного решения (Будут выставлены позднее)