Поляризация излучения.

Для полной характеристики излучения необходимо задать пять независимых величин: направления распространения, частоту колебаний (или спектр), интенсивность, фазу колебаний и поляризацию. Поляризация — одна из наиболее важных характеристик излучения. Она указывает на анизотропию действия света в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения луча, и содержит богатую информацию о свойствах испускающих атомов и молекул. Характер поляризации определяется формой фигуры, которую выписывает вектор электрического поля волны. Например, если он совершает колебания вдоль прямой линии, то свет называется линейно поляризованным.

Радиацию любой поляризации можно представить как сумму двух лучей, линейно поляризованных в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В случае монохроматической волны проекции электрического вектора на эти направления равны [87]:

где постоянные; время; начальные фазы волн. Исключая время из этих выражений, получим уравнения кривой, которую выписывает конец электрического вектора:

В общем случае это уравнение эллипса. Если разность фаз оно упрощается

причем коэффициенты служат полуосями эллипса. При свет поляризован по кругу. Если же или где целое число, то из (7.58) следует уравнение прямых линий

Излучение раскаленных тел возникает в результате испускания большого числа атомов и молекул и состоит из самых

различных волн. Разность фаз не имеет определенной величины. С равной вероятностью она пробегает всевозможные значения. Поэтому естественная радиация полностью изотропна в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения.

Следует отметить, что свет, поляризованный по кругу, и естественная радиация внешне неразличимы и производят аналогичное действие на поляризационные приборы. То же самое справедливо в отношении эллиптически поляризованного и частично поляризованного естественного света. Чтобы установить истинный характер поляризации, нужны специальные опыты, в которых круговая или эллиптическая поляризация света превращается в линейную, а естественный свет остается без изменений [156, 157].

Описание поляризации с помощью уравнений типа (7.58) не всегда удобно, а если свет состоит из многих волн — практически невозможно. Поэтому ее характеризуют иногда степенью поляризации или степенью деполяризации.

Пропуская пучок света через николь, легко установить два взаимно перпендикулярных направления, в которых интенсивность света имеет максимальное и минимальное значения. Под степенью деполяризации понимают отношение

Если свет линейно поляризован, следовательно, Для естественной радиации или излучения, поляризованного по кругу, Наряду со степенью деполяризации излучение часто характеризуют степенью поляризации, равной

Определенная таким образом степень поляризации всегда остается величиной положительной и может изменяться от 0 до 1. Легко видеть, что она связана со степенью деполяризации соотношениями

Когда одна из величин или увеличивается от до 1, вторая убывает от 1 до 0.

Исследование поляризации излучения является одним из тонких методов определения свойств вещества [158]. Причем важным источником информации служит не только степень поляризации, определяемая формулой (7.60), но и

ориентация максимальных колебаний электрического вектора во вторичной волне. Обычно при поляризационных измерениях возбуждающий свет линейно поляризован, а направление наблюдения лежит в плоскости, перпендикулярной к электрическому вектору падающей радиации. В этом случае степень деполяризации и степень поляризации вторичных волн определяются несколько иначе, а именно в виде:

Как и прежде, здесь две компоненты интенсивности наблюдаемого света, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Однако в отличие от предыдущего ориентация плоскостей поляризации определяется направлениями максимальных и минимальных колебаний электрического вектора не вторичных волн, а возбуждающего света. Направление колебаний электрического поля в компоненте совпадает с направлением наибольших колебаний электрического вектора падающей радиации, а направление колебаний в с направлением наименьших колебаний.

Величины и связаны между собой соотношениями, аналогичными (7.62). Однако по области изменения и физическому смыслу они отличаются от величин Действительно, если изменяются в пределах от 0 до 1, то и могут в принципе принимать любые значения в следующих границах:

Без связи с возбуждающим светом физический смысл имеют только величины Значения и становятся неопределенными. Например, для линейно поляризованного света можно было бы получить любое значение от до в зависимости от угла между плоскостью поляризации и осью (т. е. в зависимости от разложения на компоненты которое без связи с возбуждающей радиацией становится произвольным)

В классической теории люминесценции вещество моделируется совокупностью элементарных излучателей: электрических и магнитных диполей, квадруполей, ротаторов и т. д. [87]. С помощью этих моделей показано, что если за испускание и поглощение света отвечает один и тот же диполь, то предельные степени поляризации люминесценции при

возбуждении линейно поляризованным и естественным светом соответственно равны:

Если каждому люминесцирующему центру соответствует два осциллятора (поглощающий и излучающий), расположенных под углом то поляризация люминесценции, распространяющейся перпендикулярно к направлению распространения возбуждающего света, выражается формулой Левшина [137]

Более сложные формулы получил А. Яблонский для плоских и пространственных осцилляторов [87, 159]. С. И. Вавилов вычислил значение поляризации люминесценции как функции угла между осью и электрическим вектором возбуждающего света и угла, задающего направление распространения люминесценции для диполей и квадруполей поглощения и испускания [160]. Полученные функции он представил в виде поляризационных диаграмм и показал, что на основании этих диаграмм можно определить природу элементарных излучателей.

Если люминесцирующие частицы совершают броуновские повороты, то люминесценция деполяризуется. Степень ее поляризации выражается формулой Левшина — Перрена [137]

где степень поляризации при отсутствии поворотов частиц; V — объем частицы; вязкость растворителя; время затухания люминесценции.

Границы применимости классических формул для поляризации люминесценции будут рассмотрены в следующей главе.