Виды поляризации. Волну, в которой направление колебаний светового вектора $\mathbf{E}$ упорядочено каким-либо образом, называют поляризованной. Если колебания вектора $\mathbf{E}$ происходят только в одной плоскости, проходящей через луч, то мы имеем дело с плоско- (или линейно-) поляризованной волной. Плоскость, в которой колеблется вектор Е, называют плоскостью поляризации* (плоскостью колебаний светового вектора).

Другой вид поляризации заключается в том, что вектор $\mathbf{E}$ вращается вокруг направления распространения волны одновременно изменяясь периодически по модулю. При этом конец вектора E описывает эллипс (в каждой точке среды). Такую волну называют эллиптически-поляризованной. Или поляризованной по кругу, если конец вектора $\mathbf{E}$ описывает окружность.

В зависимости от направления вектора $\mathbf{E}$ различают правую и левую эллиптические (или круговые) поляризации. Если смотреть навстречу распространения волны, и вектор $\mathbf{E}$ при этом поворачивается по часовой стрелке, то поляризацию называют правой, в противном случае (если против часовой стрелки) – левой.

Эллиптически-поляризованная – это наиболее общий вид поляризации волны, переходящий при определенных условиях в линейную и круговую поляризации.

Волну с эллиптической поляризацией всегда можно разложить (или представить) на две взаимно перпендикулярные линейно-поляризованные волны с взаимно ортогональными плоскостями поляризации. Причем разность фаз этих двух волн сохраняется постоянной во времени. Такие волны, как мы знаем,
* Первоначально плоскость поляризации связывали с плоскостью, в которой колеблется вектор Н (или В). Несмотря на то, что это устарело, следует быть внимательным, поскольку в некоторых учебниках до сих пор понятие «плоскость поляризации используется в прежнем смысле.

называют когерентными, в отличие от некогерентных, у которых разность фаз хаотически меняется во времени. Более подробно вопрос об эллиптической поляризации мы рассмотрим в § 6.3.

Естественный свет. В случае радиоволн создать линейно- или эллиптически-поляризованную волну не представляет никакого труда. Иначе обстоит дело с электромагнитными волнами оптического диапазона ввиду особой специфики физических процессов, лежащих в природе излучения таких волн (см. § 3.1).

В основном мы будем рассматривать обычные (не лазерные) источники оптического излучения (свечение раскаленных твердых тел, свечение возбужденных атомов газа). При использовании же лазеров мы должны по-иному подходить к рассмотрению многих оптических явлений в силу особых свойств их излучения: оно в высокой степени монохроматично и линейно поляризовано.

Несмотря на то, что световые волны и от обычных источников поперечны, они, как правило, не обнаруживают асимметрии по отношению к направлению распространения. Такой свет называют естественным. В естественном свете колебания вектора Е в любой (фиксированной) точке среды совершаются в разных направлениях, быстро и беспорядочно сменяя друг друга. Условно это изображают, как показано на рис. 6.1 слева (направление распространения света перпендикулярно плоскости рисунка).

Естественный свет можно представить как наложение (сумму) двух некогерентных плоскополяризованных волн с взаимно ортогональными плоскостями поляризации, что и показано на рис. 6.1 справа. Кстати, этим приемом мы будем пользоваться в дальнейшем неоднократно, чтобы значительно упростить анализ многих вопросов. Важно подчеркнуть, что ориентация этих двух взаимно ортогональных плоскополяризованных волн совершенно несущественна.
Рис. 6.1

Поляризаторы. Из естественного света можно получить плоскополяризованный с помощью приборов, называемых поляризаторами. Эти приборы свободно пропускают колебания светового вектора, параллельные плоскости, которую мы будем называть плоскостью пропускания поляризатора. Колебания же, перпендикулярные к этой плоскости, задерживаются полностью или частично. В первом случае поляризатор является идеальным. В дальнейшем мы будем иметь в виду именно такие (идеальные) поляризаторы, если не будет каких-либо оговорок.

Степень поляризации. Помимо плоскополяризованного и естественного света существует еще \”промежуточный\” случай частично-поляризованный свет. Частично-поляризованный свет, как и естественный, можно представить в виде наложения двух некогерентных плоскополяризованных волн с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, но разными по интенсивности (рис. 6.2). Его также можно рассматривать как смесь (сумму) естественной ( $е \mathrm{~cm}$ ) и плоскополяризованной (пол) составляющих, как показано на этом рисунке справа.
Рис.6.2
Из рис. 6.2 видно, что вертикальные колебания соответствуют максимальной интенсивности, горизонтальные – минимальной ( $I_{\text {макс }}$ и $I_{\text {мин }}$ ). Это можно обнаружить с помощью поляризатора.

Частично- поляризованный свет характеризуют степенью поляризации $P$, которую определяют как

Здесь $I_{\text {пол }}$ – интенсивность поляризованной составляющей, $I_{0}$ – полная интенсивность частично-поляризованного света: $I_{0}=I_{\text {макс }}+I_{\text {мин }}$.

Для плоскополяризованного света ( $I_{\text {пол }}=I_{0}$ ) степень поляризации $P=1$, для естественного света ( $\left.I_{\text {пол }}=0\right) P=0$. Это два крайних случая.

Заметим, что для эллиптически-поляризованного света понятие «степень поляризации», а значит и формула (6.1), не применимы.

Закон Малюса. Поляризаторы можно использовать и в качестве анализаторов – для определения характера и степени поляризации интересующего нас света.
Пусть на анализатор падает линейно-поляризованный свет, вектор $\mathbf{E}_{0}$ которого составляет угол $\varphi$ с плоскостью пропускания $P$ (рис. 6.3, где направление светового пучка перпендикулярно к плоскости рисунка). Анализатор пропускает только ту составляющую вектора $\mathbf{E}_{0}$, которая параллельна плоскости пропускания $P$, т. е. $E=E_{0} \cos \varphi$. Интенсивность пропорциональна квадрату Рис. 6.3 модуля светового вектора ( $I \sim E^{2}$ ), поэтому интенсивность прошедшего света

где $I_{0}$ – интенсивность падающего плоскополяризованного света. Это соотношение и выражает собой закон Малюса.
Пример. На систему, состоящую из двух поляризаторов, плоскости пропускания которых повернуты относительно друг друга на угол $\varphi$, падает естественный свет интенсивности $I_{0}$. Пренебрегая отражениями, найдем интенсивность $I$ света, прошедшего сквозь эту систему.
Первый поляризатор пропускает, как легко сообразить, половину падающего на него света, т. е. $I_{0} / 2$, но это будет уже плоскополяризованный свет. Второй поляризатор согласно закону Малюса (6.2) пропустит
\[
I=\left(I_{0} / 2\right) \cos ^{2} \varphi
\]

Это и есть искомый результат.
о деполяризации. Иногда возникает обратная задача: поляризованный свет превратить в естественный, т. е. неполяризованный. Это можно достигнуть следующим образом: приготовить слой из мелко истолченного стекла (порошка). Поляризованный свет, проходящий через такой слой, претерпевает многократные отражения, в результате чего его поляризация будет разрушена.

Такую же роль играет, например, калька (полупрозрачная восковая бумага). Достаточно поместить ее за поляризатором, чтобы с помощью вращения второго поляризатора (анализатора) убедиться, что калька почти полностью деполяризует свет, поляризованный первым поляризатором: интенсивность проходящего через второй поляризатор света практически не зависит от его угла поворота.