Волновая оптика.

1. Электромагнитная природа света. Поляризация света

Электромагнитные волны - распространение колебаний электрического и магнитного полей - являются поперечными и распространяются со скоростью света. Скорость света в среде меньше, чем скорость света с в вакууме:

, (5.1)

где - показатель преломления среды; ,  - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, соответственно. Формула (5.1) была получена Максвеллом. Совпадение вычисленной скорости электромагнитных волн и измеренной к тому времени скорости света навело его на мысль об электромагнитной природе света. Электромагнитная (вол­но­вая) теория позволяет объяснить многие световые явления.

Колебания векторов напряженности электрического поля и магнитной индукции происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения, причем векторы , и образуют правовинтовую тройку перпендикулярных друг к другу векторов (рис. 5.1). Модули векторов и пропорциональны друг другу, их связь дается выражением:

. (5.2)

Рис. 5.1

Опыт и теория показывают, что химическое, физиологическое и другие действия света на вещество вызваны главным образом электрической составляющей волны, поэтому часто свет рассматривают как волну, в которой происходят колебания только электрического вектора . На рис. 5.1 приведена мгновенная "фотография" волны - изменение векторов и в зависимости от координаты х в фиксированный момент времени. В приведенном случае вектор колеблется в одной плоскости, называемой плоскостью поляризации. Такой свет называют плоскополяризованным (линейно поляризованным).

Если смотреть вдоль луча, то в линейно поляризованном свете колебания вектора представляются происходящими вдоль одного направления (рис. 5.2а).

В обычном свете колебания различных направлений хаотически и быстро сменяют друг друга (рис. 5.2б). Такой свет называется естественным. В частично поляризованном свете имеется преимущественное направление колебаний вектора (рис. 5.2в).

а б в

Рис. 5.2

Некоторые кристаллы, например турмалин, обладают способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной плоскости (рис. 5.3а). Устройство, позволяющее получать линейно поляризованный свет из естественного, называются поляризаторам, а плоскость, в которой оно пропускают колебания, называется плоскостью поляризатора. Если на пути линейно поляризованного света поставить второй поляризатор (его называют анализатором), плоскость которого повернута на 90 относительно плоскости первого (рис. 5.3б), свет через него проходить не будет.

а б

Рис. 5.3

Амплитуда Е прошедшего через анализатор света зависит от амплитуды падающего на него света Е₀ и угла между плоскостями поляризатора и анализатора : Е = Е₀cos  , а интенсивность прошедшего света, величина которой пропорциональна квадрату амплитуды, дается законом Малюса:

.

При наклонном падении света на границу раздела двух диэлектриков, например на поверхность стеклянной пластинки, отраженный свет является частично поляризованным. При угле падения, удовлетворяющем условию

, где - показатель преломления второй среды относительно первой (см. раздел 5.4), отраженный луч полностью поляризован.

Это соотношение называется законом Брюстера.