Естественный и поляризованный свет

Закон Малюса

Если читателю кажется, что два поляризатора – это такая игра, что-то вроде упражнения для ума, то он ошибается. С помощью второго фильтра можно определить направление и степень поляризации потока света. Эти данные используют как непосредственно, например, при оценке свойств далеких галактик и туманностей, так и опосредованно, для оценки качества поверхностей.

Закон Малюса для поляризованного света выражается формулой:

I = k х I0 хcos2φ, где I – интенсивность конечного потока света, I0 – начального, k – коэффициент пропускания поляризатора,φ – угол между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора.

Для релятивистского случая добавляются циклические частоты поляризованных волн. Но эти компоненты учитываются, только если источник света движется со скоростью, близкой к скорости света. Для применения расширенной формулы Малюса не обязательно преодолевать триста тысяч километров в секунду. Релятивистской считается скорость, равная одному проценту от скорости света в вакууме.

Однако дотошный читатель спросит: «А как же быть с циркулярной и эллиптической поляризацией?» Как мы уже упоминали выше, ответ прост. Необходимо представить этот вид поляризации как сумму двух линейно поляризованных волн.

Поляризация света неба

Поляризация света неба была открыта в 1871 году (по другим источникам даже в 1809 году), но подробное теоретическое объяснение этого явления было дано лишь в середине нашего века. Тем не менее, как обнаружили историки, изучавшие древние скандинавские саги о плаваниях викингов, отважные мореходы почти тысячу лет назад пользовались поляризацией света неба для навигации. Обычно они плавали, ориентируясь по Солнцу, но, когда светило было скрыто за сплошной облачностью, что не редкость в северных широтах, викинги смотрели на небо через специальный «солнечный камень», который позволял увидеть на небе тёмную полоску в 90$^\circ$ от направления на Солнце, если облака не слишком плотны. По этой полосе можно судить, где находится Солнце. «Солнечный камень» – видимо, один из прозрачных минералов, обладающих поляризационными свойствами (скорее всего распространённый на севере Европы исландский шпат), а появление на небе более тёмной полосы объясняется тем, что, хотя за облаками Солнца и не видно, свет неба, проникающий через облака, остаётся в какой-то степени поляризованным. Несколько лет назад, проверяя это предположение историков, лётчик провёл небольшой самолёт из Норвегии в Гренландию, в качестве навигационного прибора пользуясь только кристаллом минерала кордиерита, поляризующего свет.

Применение в истории

Несмотря на то что впервые явление поляризации было открыто в 1871 году учёным удалось подробно его объяснить лишь в средине прошлого века. Как бы там ни было, есть исторические сведения, что оно использовалось викингами-моряками для навигации более одной тысячи лет тому назад. В большинстве случаев главным ориентиром для них служило солнце. Однако в облачную погоду они пользовались так называемым солнечным камнем. Есть все основания предполагать, что он представлял собой некий прозрачный минерал, что имел поляризационные свойства. Ориентиром при этом являлась появляющаяся на небе более тёмная полоса. Чтобы доказать предположение историков и действенность такого рода навигации, некоторое время назад норвежский лётчик совершил полёт на небольшом самолёте из родной страны в Гренландию, используя в виде ориентира лишь кристалл кордиерита – минерала с аналогичными солнечному камню характеристиками.

Применение

Поляризационная пленка используется в самых различных областях при производстве:

• Солнцезащитных очков (которые полюбили многие водители). Пленка придает линзам способность отсекать лучи, путем пропускания исключительно вертикальных волн.
• Лобовых стекол и салонных зеркал заднего вида автомобилей во избежание ослепления от встречного и идущего позади транспорта. А также применяется при электромонохромной тонировке
• Жидкокристаллических экранов. Благодаря пленке существенно повышается контрастность изображения, путем использования вертикальной поляризации. При комбинировании активной поляризационной пленки  и специальных поляризационных стерео очков достигается эффект объемного изображения.
• Дисплеев для различных приспособлений: калькуляторов, мониторов, мобильных телефонов и т.д.
• Фильтров полярископов (их диаметр достигает 300 — 500 мм).

Поляризационные пленки можно использовать как фильтры с изменяемой прозрачностью. Это достигается путем их скрещивания. При таком положении лучшие из них понижают яркость лучей света в сотни раз. Если сравнить пленки с поляризационными призмами, то они обладают лучшим качеством и более широким полем зрения.

Поляризация некоторых оптических явлений и небесных объектов

Поляризационные эффекты характерны и для таких интересных природных явлений, как гало (светящиеся дуги, которые время от времени появляются вокруг солнца либо луны), радуга и отдельные виды полярного сияния. Это связано с тем, что во всех указанных случаях одновременно происходит отражение света и его преломление. Другими словами, если вращать фильтр и смотреть сквозь него на радугу, в определённый момент она станет практически невидимой. Что касается поляризации некоторых астрономических тел, то самым ярким её примером стала крабовидная туманность, которая наблюдается в созвездии Тельца. Дело в том, что испускаемые ею световые излучения возникают во время торможения магнитным полем стремительно летящих электронов.

Что такое поляризация света

Термин поляризации дает оценку поперечных волн. Представляет состояние вектора колеблющейся величины в плоскости, поперечной направленности распространения волны.

Поляризация прослеживается лишь на поперечных волнах.

Если тенденции колебаний светового вектора упорядочены, то освещение именуется поляризованным.

Колебания одинаковой частоты электромагнитных излучений могут иметь поляризирование:

• Линейную. Она перпендикулярно направлена распространению волны.
• Круговую. В связи с тенденцией верчения вектора индукции, поляризация правая либо левая.
• Эллиптическую. Возникает в промежутке с круговой и линейной поляризациями.

Почему поляризуется свет?

Фотоны излучаются, когда электроны в атомах переходят из более высокого в более низкое положение. Рассмотрим один-единственный фотон, испущенный каким-нибудь атомом. Характеристика такого кванта совершенно конкретна. Этот фотон будет колебаться в определенном направлении, а вектор его амплитуды будет лежать в одной плоскости. Таким образом, одиночный фотон всегда поляризован линейно. Следовательно, один из способов получения поляризованного света – когерентное вынужденное излучение множества одинаковых атомов. Но такой метод не всегда применим, а соответствующие устройства (лазеры) не всем доступны. Однако свет Солнца или обычной лампы накаливания получить достаточно просто. Чтобы их поляризовать, надо поставить на пути излучения такую преграду, которая пропускает дальше только один вид колебаний, а все остальные задерживает. Так что другие способы получения поляризованного света связаны с созданием фильтров для естественного излучения.

Как правило, на такое способны кристаллы с заданным строением или полимерные мембраны, в которых волокна расположены в определенном направлении. Первым естественным поляризатором, обнаруженным учеными, стал кристаллический кварц из Исландии, так называемый исландский шпат. А первым искусственным поляризатором была органическая мембрана с добавлением ионов йода. Сейчас в промышленных масштабах используют поляроидные пленки, зажатые между двумя плоскими стеклами.

Откуда берется

Световой поток, который попадает в наше окружение, в основном неполяризован. Излучение от солнца, лампочек – свет, где вектор колеблется в разных направлениях. Если работа за компьютером и монитор жидкокристаллический, то в нем поляризованный источник.

Чтобы видеть поляризованный свет, надо естественный поток пропустить через анизотропную сферу. Она и есть поляризатор, который отрезает ненужные направления колебаний, сохраняя одно.

Анизотропная сфера – среда, которая обладает различными свойствами в зависимости от направленности внутри нее.

В числе поляризаторов применяются кристаллы. Одним из природных, часто применяемых – турмалин.

Еще методом извлечения поляризованного потока излучения является отражение с диэлектрика. Если луч опускается в рубеж области 2-ух сфер, поток делится на отображенный и надломленный. Лучи получаются отчасти поляризованными, при этом степень поляризации находится в зависимости от угла падения.

Применение исследований поляризации в офтальмологии

Исследования в линейно поляризованном и циркулярнополяризованном свете подтвердили, что люди, обладающие способностью видеть фигуру, наблюдают её в обоих случаях.

В результате возникло предположение, что некоторым сферам глаза под силу оказывать двойное преломление света. Также было установлено, что полным качеством отличается именно сетчатка глаза или её поверхность.

При обращении человека к офтальмологу по причине ослабления зрения и сохранении способности видеть уникальную фигуру, специалист исключает заболевания, связанные с сетчаткой.

Утрата способности видеть фигуру неизменно связана с повреждением сетчатки.

При установке поляризатора в лучевой канал исследователям удалось изучить анатомические особенности строения глаза. Первые опыты в данном направления были проведены еще в 1920 году, но тогда не хватило возможностей техники.

Возобновили исследования японские ученые, подтвердившие предположения о пересечении волокон в центральной части роговицы по принципу сетки.

Для своих экспериментов они использовали волновую пластинку, с помощью которой смогли собрать максимально точные данные о световых лучах, отражающихся от прозрачных элементов глаза.

Защита глаза с помощью поляризации света

Водители, рыбаки, лыжники прекрасно знают, насколько серьёзные нагрузки приходится испытывать глазам. Человеку необходимо сохранять скорость реакции на непредвиденные ситуации.

Обычные солнцезащитные очки не способны подавить агрессивное воздействие бликов на поверхность глаза, заставляя щуриться.

Помимо определенного дискомфорта блики вызывают и серьезную усталость глаз, вызывая кратковременную, но значительную потерю остроты зрения.

Длительные исследования в области защиты от негативных явлений приобрели реальное воплощение с развитием технического прогресса.

Использование поляризационных линз в очках полностью блокируют блики. Если оптические свойства линзы сохранены при получении необходимого изгиба, человек не будет испытывать дискомфорта, рассматривая мир сквозь линзы таких очков.

Разница между обычными солнечными очками и очками с поляризационными линзами огромна.

Они не только блокируют яркие пучки света, но и представляют мир максимально контрастным, что позволяет моментально заметить любое изменение, а значит и своевременно среагировать на него.
Качественно разработанные модели поляризационных очков абсолютно комфортные, не вызывают ощущения усталости даже при длительном использовании.

Фильтр поляроид

Поляризованный и естественный свет разделяются при прохождении через ряд материалов, наиболее распространенным из которых является поляроид, созданный американским физиком Эдвином Лэндом. Фильтр состоит из длинных цепочек молекул углеводородов, ориентированных в одном направлении путем процесса термической обработки. Молекулы избирательно поглощают излучение, электрическое поле которого параллельно их ориентации. Свет, выходящий из поляроида, линейно поляризован. Его электрическое поле перпендикулярно направлению ориентации молекул. Поляроид нашел применение во многих областях, включая солнцезащитные очки и светофильтры, снижающие эффект отраженного и рассеянного света.

Как сделать пленку для монитора

Обычно LCD-мониторы производитель поставляет с поляризационной пленкой. Она может быть приклеена к монитору или просто плотно прижата планками.

В случае необходимости заменить это изделие необходимо обратить внимание на технологию такого процесса. Приобретать пленку нужно по размеру предыдущего варианта

Старая пленка демонтируется. При необходимости клей снимается растворителем. Меняя поляризационную пленку своими руками, нужно следить, чтоб растворитель не попал на пластиковые элементы монитора

Приобретать пленку нужно по размеру предыдущего варианта. Старая пленка демонтируется. При необходимости клей снимается растворителем. Меняя поляризационную пленку своими руками, нужно следить, чтоб растворитель не попал на пластиковые элементы монитора.

Полностью очистив основание, следует смонтировать новое покрытие.

Поляризационная пленка своими руками должна быть правильно позиционирована. Имеет значение, где находится лицевая и обратная сторона

Так же как и важно сохранить правильное положение сторон. Далее части монитора собирают воедино

Фильтры

Существует ряд фильтров, которые способны пропускать лишь лучи с определённой ориентацией. Если смотреть через них на поляризованный световой поток и одновременно поворачивать, будет меняться яркость. В том случае, когда поляризация света будет совпадать с направлением пропускания, она станет максимальной, а при полном расхождении – минимальной. Приобрести такие фильтры можно в обычных магазинах, специализирующихся на продаже фототехники. При взгляде через них на чистое небо, при условии что Солнце находится сбоку, в определенный момент во время поворачивания станет видна полоса чёрного цвета. Она является доказательством того, что исходящие от этого участка неба световые волны являются поляризованными.

Свойства

Для того, чтобы объяснить ценные свойства поляризационной пленки, благодаря, которым она приобретает все большее признание в быту, промышленности и науке, давайте-ка вспомним: что такое поляризация?

Поляризация – это ограничение световых лучей методом пропускания света через поляризатор-решетку, когда расстояние между нитями решетки сопоставимы с длиной световой волны. Эта решетка наносит ограничение на распределение потока лучей, она пропускает лишь одну волну в одной плоскости.

Работа поляризационного элемента основана на свойстве поперечности электромагнитных волн: поляризатор может пропускать только ту часть естественного света, которая параллельна его оси. Существую 2 способа создания поляризационных устройств:

• с помощью 1-го напыляют металлические полосы на полимерную основу;
• основой 2-го является создание поляризационных полимерных йодно-поливиниловых пленок.

Для абстрактного понимания рассмотрим следующий рисунок.

Чего можно достичь с помощью поляризационной пленки:

• ограничения светового потока;
• существенного понижения яркости;
• рассеивания световых лучей;
• затемнения зеркальных, и экранных изделий;
• защиты от попадания прямых солнечных и световых лучей.

Теория явления Править

Электромагнитная волна может быть разложена (как теоретически, так и практически) на две поляризованные составляющие, например поляризованные вертикально и горизонтально. Возможны другие разложения, например по иной паре взаимно перпендикулярных направлений, или же на две составляющие, имеющие левую и правую круговую поляризацию. При попытке разложить линейно поляризованную волну по круговым поляризациям (или наоборот) возникнут две составляющие половинной интенсивности.

По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца.

[]

История открытия Править

Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов Х. Гюйгенса И. Ньютон, придерживавшийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света.

Параметры Стокса Править

Изображение поляризации языком параметров Стокса на сфере Пуанкаре

$ S_0=A^2_1+A^2_2 $, $ S_1=A^2_1-A^2_2 $,

$ ~S_2=2A_1 A_2 \cos \phi $, $ ~S_2=2A_1 A_2 \sin \phi $.

Независимыми являются только три из них, ибо справедливо тождество:

$ S^2_0=S^2_1+S^2_2+S^2_3 $.

Если ввести вспомогательный угол — угол эллиптичности $ \chi $ , определяемый выражением $ \chi=\pm b/a $ (знак $ ~+ $ соответствует правой, а $ ~- $ — левой поляризации), то можно получить следующие выражения для параметров Стокса:

$ ~S_1=S_0 \cos (2\chi) \cos (2\psi) $,

$ ~S_2=S_0 \cos (2\chi) \sin (2\psi) $,

$ ~S_3=S_0 \sin (2\chi) $.

Наряду с $ ~S_1 $, $ ~S_2 $, $ ~S_3 $ используют также нормированные параметры Стокса $ ~s_1=S_1/S_0 $, $ ~s_2=S_2/S_0 $, $ ~s_3=S_3/S_0 $. Для поляризованного света $ ~s^2_1+s^2_2+s^2_3=1 $.

Использование явления поляризации светаПравить

Взаимодействие поляризованного света с веществом может приводить к оптической ориентации или к настройке генерации мощного поляризованного излучения в лазерах и др. С другой стороны, исследование деполяризации света при фотолюминесценции дает сведения о взаимодействии поглощающих и излучающих центров в частицах вещества, при рассеянии света — ценные данные о структуре и свойствах рассеивающих молекул или иных частиц, в других случаях — о протекании фазовых переходов и т.д. (См. также Флюоресцентный наноскоп).

Поляризация светового излучения играет заметную роль в живой природе. Многие живые существа способны чувствовать поляризацию света, а некоторые насекомые (пчёлы, муравьи) ориентируются в пространстве по поляризованному (в результате рассеяния в атмосфере) свечению голубого неба. При определенных условиях к Поляризация света становится чувствительным и человеческий глаз (т. н. явление Хайдингера).

Литература Править

• Ахманов С. А., Никитин С. Ю. — Физическая оптика, 2 издание, M. — 2004.
• Борн М., Вольф Э. — Основы оптики, 2 издание, исправленное, пер. с англ.,М. — 1973

Сложности восприятия поляризации как понятия

Надеемся, мы прояснили для читателей понятия естественного и поляризованного света. Однако избежать трудностей в пространственном восприятии этих понятий невозможно. Что же необходимо сделать, чтобы осознать, как вращается вектор амплитуды?

Первым барьером может стать непонимание, что такое вектор. Прежде всего, это направление движения. Когда человек ведет машину, вектор его движения – это то, куда направлен нос автомобиля и в какую сторону развернуты шины, а не куда смотрят глаза человека. Если бы все водители поняли это, возможно, на наших дорогах было бы меньше аварий. Как мы уже упоминали, в случае волны вектор амплитуды – это направление, в котором «колеблется» волна в конкретный момент времени.

Второй барьер может заключаться в непонимании процессов излучения. Для восполнения пробелов стоит вспомнить, что такое электронные уровни в атомах и почему переход между ними сопровождается либо излучением, либо поглощением энергии. Поняв, откуда берутся фотоны, читатель, возможно, лучше разберется в поляризации света.

Естественный и поляризованный свет отличаются ненамного. Если для человека непонятно, почему, мы еще раз повторим: получить поляризованный свет сразу при излучении довольно непросто. Но выделить изо всех возможных хаотически направленных колебаний естественного света только некоторые конкретные гораздо проще. Сделать это можно с помощью специальных кристаллических или полимерных веществ.

Изготовление поляризационных линз

Среди существующих технологий изготовления поляризационных линз самой старой является применение минерального стекла.

Ныне этот метод используют крайне редко. Чаще применяют технологию ламинирования органическими веществами (CR-39). Пленка поляризационная вставляется между двумя полотнами линзы. Это помогает избежать расслаивания.

Однако самой новой и перспективной методикой является размещение пленки на переднем стекле. Поляризатор обрабатывается для улучшения его устойчивости к повреждениям, истиранию. Это позволяет изделию максимально качественно выполнять свои поляризационные свойства. Защитное покрытие пленки увеличивает ее стойкость к ударам.

Корпускулярно-волновой дуализм

Опыты Лебедева убедили научный мир: свет способен оказывать давление на окружающие вещи. Перед исследователем возникло множество технических сложностей. Несмотря на это, он доказал, что фотоны света передают поверхностям ненулевой импульс, когда встречают преграду. Данное явление поставило ученых в тупик. Как можно было увязать волновые свойства и материальность массы воедино?

В итоге исследователям пришлось признать: любая элементарная частица – это одновременно и волна, и материальный объект. Фотоны имеют как признаки осциллятора (длину волны, частоту и амплитуду), так и характеристики материального вещества (массу, импульс и энергию). Это и есть принцип корпускулярно-волнового дуализма. Также требовалось понять, как именно существует и движется в пространстве, казалось бы, бесконечная волна с конечной массой. На помощь пришло понятие «квант» – это наименьший пакет некоего общего целого, который перемещается и взаимодействует с веществом. Например, поляризованный и естественный свет являются квантами электромагнитного поля. Но такая среда не единственная, подверженная квантованию. Существуют также кванты:

• гравитационного поля (гравитоны предсказаны только теоретически, к доказательству их существования ученые уже подошли очень близко);
• глюонного поля (глюоны, в отличие от гравитонов, найдены);
• коллективного взаимодействия узлов кристаллической решетки твердого тела (фононы, например, отвечают за превращение электромагнитного излучения в кристаллах в звук).

Однако чтобы представить, почему свет поляризуется, описанных выше знаний недостаточно. Требуется напрячь пространственное воображение.

Направления поляризации

В описании ориентации магнитного и электрического полей волны света обычно указывают только направление электрического поля. Вектор магнитного поля определяется требованием о перпендикулярности полей и их перпендикулярности к направлению движения. Естественный и линейно поляризованный свет отличаЕтся тем, что в последнем поля осциллируют в фиксированных направлениях по мере перемещения волны.

Возможны и другие состояния поляризации. В случае круговой векторы магнитного и электрического полей вращаются относительно направления распространения с постоянной амплитудой. Эллиптически поляризованный свет находится в промежуточном положении между линейной и круговой поляризациями.

Изготовление

Поляризационная пленка производится из поливинилена с использованием поливинилового спирта (ПВС). Также, в ее состав может добавляться фосфорно-вольфрамовая кислота. В результате производства ее вытягивают в 5-7 раз более ее стартовой длины. Пленку отжигают  на протяжении 15 мин. при 120-140 градусах.

В результате получают:

• экологичность, экономичность, простота;
• оптические свойства, равномерно рапределенные по всей площади;
• повышенная устойчивость к теплу и влаге.

Пленки вытянуты одноосно, что дает преимущественно молекулярную ориентацию ее компонентов, которые поляризуются по вектору оси вытяжки, благодаря чему пленка обретает необходимые свойства.

Поляризационные ПВС пленки в зависимости от содержащихся в них компонентов разделяют на 3 группы, в состав которых входят:

1. дихроичные красители;
2. поливиниленовые звенья;
3. полииодидные комплексы.

Передовым является электролитический метод полирования. Суть метода заключается в удалении поляризационной пленки силой электрического тока, которая образовалась на выпуклых местах поверхности. Вначале поверхности шлифуются так же, как и при простом механической полировке.

Режим обработки подбирают так, чтобы на выступах поляризационная пленка имела разрыв, а именно там, где силовые линии имеют большую концентрацию. На процесс электрохимического полирования влияет состав электролита. Перед процессом полировки деталь травят, а также шлифуют на станке. После полировки она  промывается и просушивается. 

После иодного окрашивания и ориентации, получается  пленка  хорошего качества. Такую технологию обычно используют для солнцезащитных очков.

Органическое стекло не имеет широкого распространения здесь, т.к. имеет низкое сопротивление царапанию, а это существенно понижает срок годности наружных линз. Для  изготовления крупных линз и призм использование органической пленки напротив,  является выгодным, поскольку малая плотность и простейшая производственная технология снижает общую массу оптического прибора или устройства, которые выпускаются большими партиями: фотоаппараты и проекторы.

Проверка поляризации

Рассмотрим проверку на примере поляризационных очков. Поляризационная пленка размещена в линзах таким образом, чтобы пропускать свет, который имеет только вертикальную поляризацию.

Лучи, которые отбрасывает горизонтальная поверхность: снежная или водная, имеют горизонтальную поляризацию. Благодаря этому они не проходят через линзы.

Лучи от других объектов – не поляризованные. Следовательно, поляризационная пленка в линзах их пропускает! На выходе мы получаем четкое изображение.

Чтобы убедиться, что товар является подлинным, вы можете сделать две такие проверки:

Вариант первый

1. Возьмите две пары очков и направьте их друг против друга. Держите те и другие горизонтально.
2. Теперь посмотрите через два слоя. Видимость должна быть отличной.
3. Теперь мысленно проведите перпендикулярную ось через любую линзу: она должна пройти также через другую линзу на очках напротив.
4. Затем начните медленно крутить одни очки относительно воображаемой оси, оставив неподвижными другие.
5. Когда угол поворота составит 90 градусов, вы можете вообще ничего не увидеть через оба слоя! Если же вид остался прежним, значит, поляризационными свойствами очки не обладают!

Вариант второй

1. Вам потребуются: одна пара очков и телевизор (можно также взять монитор или смартфон). Оденьте очки и посмотрите на дисплей или экран: вы должны все хорошо видеть.
2. А затем попробуйте наклонить голову почти горизонтально или снимите очки и поверните их на 90 градусов.
3. Теперь изображение должно стать намного темнее по всей площади. Если это так, то очки имеют поляризацию.
4. Надеюсь, что для вашей жизни свойства поляризованных предметов всегда будут полезны в работе и отдыхе!
5. Помните, что из обычных вещей (монитора, дисплея, очков) поляризованная пленка может сделать поляризованные!
6. Итак, вперед – в будущее!

Параметры Стокса Править

Изображение поляризации языком параметров Стокса на сфере Пуанкаре

$ S_0=A^2_1+A^2_2 $, $ S_1=A^2_1-A^2_2 $,

$ ~S_2=2A_1 A_2 \cos \phi $, $ ~S_2=2A_1 A_2 \sin \phi $.

Независимыми являются только три из них, ибо справедливо тождество:

$ S^2_0=S^2_1+S^2_2+S^2_3 $.

Если ввести вспомогательный угол — угол эллиптичности $ \chi $ , определяемый выражением $ \chi=\pm b/a $ (знак $ ~+ $ соответствует правой, а $ ~- $ — левой поляризации), то можно получить следующие выражения для параметров Стокса:

$ ~S_1=S_0 \cos (2\chi) \cos (2\psi) $,

$ ~S_2=S_0 \cos (2\chi) \sin (2\psi) $,

$ ~S_3=S_0 \sin (2\chi) $.

Наряду с $ ~S_1 $, $ ~S_2 $, $ ~S_3 $ используют также нормированные параметры Стокса $ ~s_1=S_1/S_0 $, $ ~s_2=S_2/S_0 $, $ ~s_3=S_3/S_0 $. Для поляризованного света $ ~s^2_1+s^2_2+s^2_3=1 $.

Поляризация частиц

Аналогичный эффект наблюдается при квантовомеханическом рассмотрении пучка частиц, обладающих спином. Состояние отдельной частицы в этом случае, вообще говоря, не является чистым и должно описываться соответствующей матрицей плотности. Для частицы со спином ½ (скажем, электрона) это эрмитова матрица 2×2 ρba{\displaystyle \rho _{b}^{a}} со следом 1:

ρab=ρab†=ρ¯ba{\displaystyle \rho _{ab}=\rho _{ab}^{\dagger }={\bar {\rho }}_{ba}}

trρba=1{\displaystyle \mathrm {tr} \,\rho _{b}^{a}=1}

В общем случае она имеет вид

ρba=12(δba+2σ^bas¯){\displaystyle \rho _{b}^{a}={1 \over 2}(\delta _{b}^{a}+2{\hat {\sigma }}_{b}^{a}{\bar {s}})}

Здесь σ^=(σx,σy,σz){\displaystyle {\hat {\sigma }}=(\sigma _{x},\sigma _{y},\sigma _{z})} — вектор, составленный из матриц Паули, а s¯{\displaystyle {\bar {s}}} — вектор среднего спина частицы. Величина

ρ=2|s¯|=2sx2+sy2+sz2{\displaystyle \rho =2|{\bar {s}}|=2{\sqrt {s_{x}^{2}+s_{y}^{2}+s_{z}^{2}}}}

называется степенью поляризации частицы. Это вещественное число <ρ<1.{\displaystyle 0<\rho <1.} Значение ρ=1{\displaystyle \rho =1} соответствует полностью поляризованному пучку частиц, при этом

ρba=ψa⊗ψb†{\displaystyle \rho _{b}^{a}=\psi ^{a}\otimes \psi _{b}^{\dagger }}

где ψ{\displaystyle \psi } — вектор состояния частицы. Фактически, полностью поляризованные частицы можно полностью описать вектором состояния.

Примеры поляризации света и способ её устранения

Поляризация света, источником которого является чистое небо, – это лишь самый простой и широко использующийся пример этого явления. Другими довольно распространёнными случаями можно назвать блики, что лежат на стеклянных витринах и поверхности воды. При необходимости устранить их можно при помощи специальных поляроидных фильтров, которыми чаще всего пользуются фотографы. Они становятся незаменимыми, если нужно запечатлеть на фото какие-либо защищённые стеклом картины либо музейные экспонаты. Принцип их действия основан на том факте, что любой отражённый свет в зависимости от угла своего падения имеет ту или иную степень поляризации. Таким образом, при взгляде на блик можно без труда подобрать такой угол расположения фильтра, при котором он будет подавлен, вплоть до полного исчезновения. Аналогичного принципа придерживаются производители качественных противосолнечных очков. Благодаря использованию в их стекле поляроидных фильтров можно убрать мешающие блики, исходящие от поверхности мокрого шоссе либо морской поверхности.

Пленка для экранов электронных устройств

Чтобы производительность человека, работающего на компьютере, была максимальной, следует обеспечить комфорт его деятельности.

Работать на любом оборудовании с дисплеем удобно, когда данные на его экране видит только пользователь. Очень неприятно, когда окружающие любопытно заглядывают в интерфейс устройства.

Для защиты информации применяют поляризационную пленку. Она крепится на экран при помощи клеящей основы. При желании ее можно снять или надевать на экран планшета или смартфона, только находясь в поездке.

Поляризационная пленка для монитора ограничивает прохождение световых лучей, которые проходят под углом больше 60 градусов.

Представленные изделия обладают влагостойкостью и выдерживают температурные перепады. Сама пленка способна защитить экран от механических повреждений и царапин, так как поликарбонат — довольно прочный материал.

Для каждого устройства выпускают пленки определенного формата.

Практическое значение

Левое изображение снято без фильтра, правое — через поляризационный фильтр

Скорость распространения волны может зависеть от её поляризации.

Две волны, линейно поляризованные под прямым углом друг к другу, не интерферируют.

Чаще всего это явление используется для создания различных оптических эффектов, а также в 3D-кинематографе (технология IMAX), где поляризация используется для разделения изображений, предназначенных правому и левому глазу.

Круговая поляризация применяется в антеннах космических линий связи, так как для приёма сигнала не важно положение плоскости поляризации передающей и приёмной антенн. То есть вращение космического аппарата не повлияет на возможность связи с ним

Направление вращения круговой поляризации космической приемопередающей антенны должно совпадать с направлением вращения наземной приёмопередающей антенны, работающей с космической. То же самое с антеннами линейной поляризации. В космической связи используется поляризационная развязка, то есть на одной частоте работают антенны противоположных направлений вращения поляризации или ортогональные с линейной поляризацией.

Антенну круговой поляризации выполнить сложнее, чем антенну линейной поляризации, для этого нужен поляризатор. Антенну с поляризацией правого направления вращения легко переделать в левого направления вращения. Для этого нужно повернуть на 90 градусов относительно оси вращения её поляризатор. Вообще, круговая поляризация — вещь теоретическая. На практике говорят об антеннах эллиптической поляризации — с левым или правым направлением вращения.

Круговая поляризация света используется также в технологиях стереокинематографа RealD и MasterImage. Эти технологии подобны IMAX с той разницей, что круговая поляризация вместо линейной позволяет сохранять стереоэффект и избегать двоения изображения при небольших боковых наклонах головы.

Поляризация волн находит применение в поляризационной голографии.

Использование явления поляризации светаПравить

Взаимодействие поляризованного света с веществом может приводить к оптической ориентации или к настройке генерации мощного поляризованного излучения в лазерах и др. С другой стороны, исследование деполяризации света при фотолюминесценции дает сведения о взаимодействии поглощающих и излучающих центров в частицах вещества, при рассеянии света — ценные данные о структуре и свойствах рассеивающих молекул или иных частиц, в других случаях — о протекании фазовых переходов и т.д. (См. также Флюоресцентный наноскоп).

Поляризация светового излучения играет заметную роль в живой природе. Многие живые существа способны чувствовать поляризацию света, а некоторые насекомые (пчёлы, муравьи) ориентируются в пространстве по поляризованному (в результате рассеяния в атмосфере) свечению голубого неба. При определенных условиях к Поляризация света становится чувствительным и человеческий глаз (т. н. явление Хайдингера).

Закон Умова

Любой рассеянный свет с неба представляет собой солнечные лучи, которые претерпели многочисленные отражения от молекул воздуха, а также не раз переломились в ледяных кристаллах либо каплях воды. Вместе с этим, процесс поляризации характерен не только для направленного отражения (к примеру, от воды), но и для диффузного. В 1905 году было доказано, что чем темнее поверхность, от которой отражается световая волна, тем большей является степень поляризации. В историю это вошло, как закон Умова, названный в честь физика, которому удалось доказать эту зависимость. Если рассмотреть её на элементарном примере с асфальтным шоссе, то получается, что во влажном состоянии оно является более поляризованным, чем в сухом виде.