Поляризация света, виды, свойства

Что такое поляризация света?

"Поляризация света — это явление, при котором колебания электромагнитных волн света происходят преимущественно в одной плоскости..."

Полезные статьи:

Рассеяние света, виды, физические свойства

Что такое полгощение света

Все статьи

Виды поляризации

Линейная поляризация света

В простейшем случае световой луч линейно поляризован. Это означает, что электрическое поле колеблется в определенном линейном направлении, перпендикулярном оси луча, а магнитное поле колеблется в направлении, которое перпендикулярно как оси распространения, так и направлению электрического поля. 

За направление поляризации принимается направление колебаний электрического поля (т. е. не магнитных). Например, лазерный луч, распространяющийся в направлении z, может иметь колебания электрического поля в вертикальном (y) направлении и колебания магнитного поля в горизонтальном (x) направлении. Его можно назвать вертикально поляризованным или y-поляризованным.

Конечно, поляризация может иметь любое другое направление, перпендикулярное оси луча. Обратите внимание, что поворот поляризации на 180 ° не приводит к физически отличному состоянию.

Круговая и эллиптическая поляризация света

Состояние круговой поляризации может быть математически получено как суперпозиция колебаний электрического поля в вертикальном и горизонтальном направлениях, оба с одинаковой силой, но относительным изменением фазы на 90 °. Фактически, это приводит к быстрому вращению вектора электрического поля. Т.е один раз за оптический цикл, которое поддерживает постоянную величину.

Различают левую и правую круговую поляризацию. Например, левая круговая поляризация означает, что вектор электрического (и магнитного) поля вращается в левом направлении, если смотреть в направлении распространения. Для наблюдателя, смотрящего против луча, вращение, конечно, имеет противоположное направление.

Если колебания горизонтального и вертикального векторов электрического поля не имеют одинаковой силы, возникает случай эллиптической поляризации, когда вектор электрического поля, спроецированный на плоскость, перпендикулярную направлению распространения, движется по эллипсу.

Радиальная и азимутальная поляризация света

В предыдущих случаях направление вектора электрического поля предполагалось постоянным по всему профилю луча. Однако существуют световые лучи, в которых это не так. Например, существуют лучи с радиальной поляризацией, где поляризация в любой точке профиля луча ориентирована в радиальном направлении, т. е. в сторону от оси луча.

Обратите внимание, что состояние радиальной или азимутальной поляризации требует нулевой напряженности электрического поля. Следовательно, также исчезающей оптической интенсивности на оси луча. Это несовместимо, например, с гауссовым пучком. Радиально поляризованные лучи часто имеют вид бублика.

Радиально поляризованный лазерный луч может быть сгенерирован из линейно поляризованного луча с помощью какого-либо оптического элемента, но также возможно получить радиально поляризованное излучение непосредственно от лазера. Преимущество этого подхода, применяемого в твердотельном объемном лазере, заключается в том, что можно избежать потерь на деполяризацию. Кроме того, существуют приложения, использующие радиально поляризованный свет.

Существуют также лучи с азимутальной поляризацией, где направление электрического поля в любой точке является тангенциальным, т. е. перпендикулярным линии, проходящей через точку и ось луча.

Поляризация p и s

Состояние поляризации света часто имеет значение, когда свет попадает на оптическую поверхность под некоторым углом. Состояние линейной поляризации тогда обозначается как p-поляризация, когда направление поляризации лежит в плоскости, пересекаемой входящим лучом и отраженным лучом. Поляризация с направлением, перпендикулярным этому, называется s-поляризацией. 

К сожалению, термины также иногда используются с другим значением в контексте дифракционных решеток.

Исчисление Джонса

Состояние поляризации монохроматического света часто описывается с помощью вектора Джонса, имеющего комплексные амплитуды электрического поля для направлений x и y, если распространение происходит в направлении z. Этот вектор Джонса может быть постоянным на некоторой площади поперек луча или он может меняться, например, для радиально поляризованного луча. 

Эффект оптических элементов, таких как волновые пластины, поляризаторы и вращатели Фарадея, может быть описан с помощью матриц Джонса, с помощью которых векторы Джонса могут быть преобразованы путем умножения. Целую последовательность таких оптических элементов можно описать с помощью одной матрицы Джонса, которая получается как произведение матриц, соответствующих компонентам.

Существуют случаи, когда полихроматический свет может быть описан с помощью одного вектора Джонса, поскольку все его частотные компоненты имеют по существу одинаковое состояние поляризации. Однако в других случаях состояние поляризации существенно зависит от частоты.

Векторы Джонса можно использовать только для полностью определенных состояний поляризации, не для неполяризованных или частично поляризованных пучков, имеющих случайную природу.

Неполяризованные и частично поляризованные лучи

Световой луч называется неполяризованным, когда анализ с помощью поляризатора приводит к тому, что 50% мощности приходится на каждое состояние поляризации, независимо от ориентации вращения. Микроскопически это обычно означает, что состояние поляризации случайным образом колеблется, так что в среднем поляризация не обнаруживается. Обратите внимание, что такие колебания невозможны для строго монохроматического света.

Линейно поляризованный свет может быть деполяризован (сделан неполяризованным) с помощью поляризационного скремблера, который применяет упомянутые случайные изменения поляризации или, по крайней мере, квазислучайные изменения.

Существуют также частично поляризованные состояния света. Они могут быть описаны с помощью векторов Стокса. Кроме того, можно определить степень поляризации, которая может быть рассчитана по вектору Стокса и может варьироваться от 0 (неполяризованный) до 1 (полностью поляризованный).

Полностью поляризованные состояния могут быть связаны с точками на так называемой сфере Пуанкаре. Частично поляризованные состояния соответствуют точкам внутри этой сферы. Неполяризованный свет представлен точкой в ее центре.

Свойства поляризации света

Эффекты волновых пластин

Состоянием поляризации света часто манипулируют, используя различные виды оптических волновых пластин. Некоторые примеры:

• С помощью полуволновой пластины (λ / 2 пластины) можно повернуть состояние линейной поляризации в любом другом направлении.
• С помощью пластины с четвертью волны (λ / 4 пластины), ось которой ориентирована под углом 45 ° к направлению поляризации, можно преобразовать состояние линейной поляризации в круговое (и наоборот).
• С помощью комбинации одной половинчатой и двух четвертьволновых пластин можно реализовать контроллер поляризации, с помощью которого можно выполнять произвольные преобразования поляризации путем правильного вращения трех пластин.

Истинное вращение поляризации

Как объяснялось выше, волновая пластина или другой оптический элемент с двойным лучепреломлением может поворачивать направление линейной поляризации, но в более общем случае после такого элемента будет получено состояние эллиптической поляризации. 

Истинное вращение поляризации, при котором всегда поддерживается состояние линейной поляризации (просто с переменным направлением), может происходить в форме оптической активности. Некоторые оптически активные вещества, такие как обычный сахар (сахароза), могут создавать значительные углы поворота уже в пределах, например, нескольких миллиметров длины распространения. Оптическую активность можно точно измерить с помощью поляриметров.

В то время как оптическая активность обычно является результатом присутствия хиральных молекул с разницей концентраций между двумя возможными энантиометрами, она также может быть вызвана магнитным полем в веществе, которое не является оптически активным в природе. Это называется эффектом Фарадея и используется в вращателях и изоляторах Фарадея.

Коэффициент ослабления поляризации

Степень линейной поляризации часто определяется количественно с помощью коэффициента поляризационного ослабления, определяемого как отношение оптических мощностей в двух направлениях поляризации. 

Она часто указывается в децибелах и измеряется путем записи зависящей от ориентации передачи мощности поляризатора. Конечно, коэффициент затухания самого поляризатора должен быть выше, чем у лазерного луча.