Поляризация отраженной и преломленной волн

Поляризация света возникает, когда свет отражается и преломляется на границе двух изотропных диэлектриков. Малюс был первым, кто обнаружил, что поляризованные волны могут создаваться таким образом. В его опытах по вращению кристалла вокруг луча, отраженного от стекла, было доказано, что интенсивность света периодически меняется. Он сравнил отражение света от стекла с прохождением светового луча через турмалин. Полного угасания света при этом отмечено не было: он только ослабевал, а затем его интенсивность усиливалась.

Разберем похожий эксперимент. Допустим, что у нас есть параллельный пучок неполяризованного светового излучения, падающий на зеркало, которое, в свою очередь, закреплено на оси с помощью шарнира. Данное устройство позволяет нам направить ось по отраженному лучу при любом угле падения света. Чтобы изучить отраженный свет, нам понадобится пластинка из турмалина, поворачивающаяся вокруг отраженного луча. При повороте будет отчетливо видно, как свет то ослабевает, то усиливается.

Рисунок $1$

Наш опыт поляризации света показывает его минимальную интенсивность при параллельном расположении плоскости, проходящей через ось турмалиновой пластики, относительно плоскости падения света на зеркало. Максимальная интенсивность достигается тогда, когда угол поворота пластинки составляет $90$ градусов. В таком эксперименте мы можем получить лишь частичную поляризацию волн, т.е. отраженный луч будет смесью поляризованного света с естественным.

Закон Брюстера

Если мы изменим угол наклона зеркала по отношению к лучу, то убедимся, что объем доли поляризованного света будет определяться углом падения $\alpha$: чем больше угол, тем больше доля поляризованного света. При определенном значении угла можно достичь полной поляризации. Величина данного угла при этом определяется таким показателем, как относительное преломление диэлектрика. В $1815$ г. Брюстер установил следующий закон:

$tg{a}_b=n_{12}$

Здесь $\alpha b$ – так называемый угол Брюстера, отраженный луч имеет плоскую поляризацию, а параметр $n_{12}$ является показателем преломления во второй среде относительно первой.

При дальнейшем увеличении угла падения волны можно заметить уменьшение поляризации света. Если же волна падает под углом полной поляризации, то преломленный и отраженный лучи сформируют прямой угол.

Анализ преломленного света показывает наличие в нем частичной поляризации. Выраженное направление колебательных движений при этом будет располагаться в плоскости падения. При соединении отраженного и преломленного света получится так называемый первичный неполяризованный свет, из чего следует, что прозрачная пластина из диэлектрического материала совершает сортировку лучей, отражая преимущественно лучи с одним направлением колебаний и пропуская перпендикулярно направленные.

Достижение максимальной поляризации

Размеры доли поляризованного света в преломленном потоке будут зависеть от показателя преломления вещества, а также от того, под каким углом падает свет. Если он падает под углом Брюстера, то мы получим максимальную, а не полную поляризацию. Возможно дальнейшее повышение поляризации преломленных лучей при условии создания возможности их дополнительного преломления. Например, если свет падает на $8-10$ пластинок (т.н. стопу Столетова) под углом Брюстера, то мы увидим полную поляризацию отраженного и преломленного пучков света. Интенсивность обоих пучков будет равна друг другу и будет составлять $0,5$ интенсивности падающего света (если нет поглощения). Световые векторы в отраженном и преломленном пучках будут направлены перпендикулярно по отношению друг к другу.