ПОЛЯРИЗА́ЦИЯ СВЕ́ТА

ПОЛЯРИЗА́ЦИЯ СВЕ́ТА, опи­сы­ва­ет по­пе­реч­ную ани­зо­тро­пию све­то­вых волн, т. е. не­эк­ви­ва­лент­ность разл. на­прав­ле­ний в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной све­то­во­му лу­чу. Пер­вые ука­за­ния на по­пе­реч­ную ани­зо­тро­пию све­та бы­ли по­лу­че­ны в 1690 Х. Гюй­ген­сом при опы­тах с кри­с­тал­ла­ми ис­ланд­ско­го шпа­та. По­ня­тие «П. с.» вве­де­но в оп­ти­ку в 1704–06 И. Нью­то­ном. Су­ще­ст­вен­ным для по­ни­ма­ния П. с. бы­ло её про­яв­ле­ние в эф­фек­тах ин­тер­фе­рен­ции све­та, в ча­ст­но­сти факт её от­сут­ст­вия при вза­им­но ор­то­го­наль­ной по­ля­ри­за­ции све­то­вых пуч­ков. П. с. на­шла ес­те­ств. объ­ясне­ние в элек­т­ро­маг­нит­ной тео­рии све­та, раз­ра­бо­танной Дж. К. Мак­свел­лом в 1865–73, а позд­нее – в кван­то­вой элек­тро­ди­на­мике.

Примеры различных поляризационных состояний светового луча при различных разностях фаз между равными взаимно ортогональными компонентами напряжённости электрического поля Ex и Ey.

По­пе­реч­ность элек­тро­маг­нит­ной вол­ны ли­ша­ет её осе­вой сим­мет­рии от­но­си­тель­но на­прав­ле­ния рас­про­стра­не­ния из-за на­ли­чия вы­де­лен­ных на­прав­ле­ний в по­пе­реч­ной плос­ко­сти – век­то­ров на­пря­жён­но­сти элек­трич. $\boldsymbol E$ и маг­нит­но­го $\boldsymbol H$ по­лей. Со­стоя­ние П. с. при­ня­то свя­зы­вать с ти­пом дви­же­ния век­то­ра $\boldsymbol E$, на­прав­ле­ние ко­то­ро­го оп­ре­де­ля­ет на­прав­ле­ние си­лы, дей­ст­вую­щей на за­ря­жен­ную час­ти­цу в по­ле элек­тро­маг­нит­ной вол­ны. Гра­фи­че­ски со­стоя­ние по­ля­ри­за­ции мо­но­хро­ма­тич. вол­ны обыч­но изо­бра­жа­ют с по­мо­щью эл­лип­са по­ля­ри­за­ции – про­ек­ции тра­ек­то­рии кон­ца век­то­ра $\boldsymbol E$ на плос­кость, пер­пен­ди­ку­ляр­ную лу­чу (рис.). В об­щем слу­чае эта кар­ти­на име­ет вид эл­лип­са с оп­ре­де­лён­ным на­прав­ле­ни­ем вра­ще­ния век­то­ра $\boldsymbol E$ (рис., б, г, е). Та­кой свет на­зы­ва­ет­ся эл­лип­ти­че­ски по­ля­ри­зо­ван­ным. Наи­боль­ший ин­те­рес пред­став­ля­ют слу­чай ли­ней­ной (или пло­ской) по­ля­ри­за­ции, ко­гда эл­липс по­ля­ри­за­ции вы­ро­ж­да­ет­ся в от­ре­зок пря­мой (рис., а,д), и слу­чай цир­ку­ляр­ной (или кру­го­вой) по­ля­ри­за­ции, ко­гда эл­липс пре­вра­ща­ет­ся в ок­руж­ность (рис.,в). В пер­вом слу­чае свет на­зы­ва­ет­ся плос­ко- или ли­ней­но по­ля­ри­зо­ван­ным, во вто­ром – пра­во- или ле­во­цир­ку­ляр­но по­ля­ри­зо­ван­ным в за­ви­си­мо­сти от на­прав­ле­ния об­хо­да эл­лип­са по­ля­ри­за­ции. В оп­ти­ке П. с. при­ня­то на­зы­вать пра­вой, ес­ли век­тор $\boldsymbol E$ со­вер­ша­ет вра­ще­ние по ча­со­вой стрел­ке при на­блю­де­нии на­встре­чу све­то­во­му лу­чу, в ра­дио­фи­зи­ке – на­обо­рот.

Для ко­ли­че­ст­вен­но­го опи­са­ния ха­рак­те­ра по­ля­ри­за­ции пол­но­стью по­ля­ри­зо­ван­но­го све­та ис­поль­зу­ют ве­ли­чи­ну от­но­ше­ния длин ма­лой ($B$) и боль­шой ($A$) по­лу­осей эл­лип­са по­ля­ри­за­ции – эл­лип­тич­ность $e=B/A$, при­пи­сы­вая ей знак, оп­ре­де­ляе­мый на­прав­ле­ни­ем вра­ще­ния век­то­ра $\boldsymbol E$. Пра­во­по­ля­ри­зо­ван­но­му све­ту при­пи­сы­ва­ют по­ло­жи­тель­ную эл­лип­тич­ность, ле­во­по­ля­ри­зо­ван­но­му све­ту – от­ри­ца­тель­ную. Т. о., для всех ти­пов П. с. эл­лип­тич­ность $e$ ле­жит в пре­де­лах $–1⩽e⩽1$. В не­ко­то­рых слу­ча­ях удоб­но вве­сти угол эл­лип­тич­но­сти ε, оп­ре­де­ляе­мый со­от­но­ше­ни­ем $ε=\rm{arctg}\,\it{e}$.

Для ана­ли­тич. опи­са­ния по­ля­ри­за­ции мо­но­хро­ма­тич. вол­ны ис­поль­зу­ет­ся пред­став­ле­ние ком­по­нент век­то­ра $\boldsymbol E$ в ком­плекс­ной фор­ме (т. н. мат­рич­ный ме­тод Джон­са). При этом П. с. пол­но­стью опи­сы­ва­ет­ся дву­мя ве­ли­чи­на­ми – от­но­ше­ни­ем ам­пли­туд ком­по­нент век­то­ра $\boldsymbol E$ и раз­но­стью фаз ме­ж­ду ни­ми. Ина­че го­во­ря, ме­ж­ду разл. ти­па­ми П. с. и точ­ка­ми ком­плекс­ной плос­ко­сти су­ще­ст­ву­ет од­но­знач­ное вза­им­ное со­от­вет­ст­вие. Этот факт на­шёл во­пло­ще­ние в гео­мет­рич. пред­став­ле­нии про­стран­ст­ва П. с. в ви­де сфе­ры Пу­ан­ка­ре, ка­ж­дой точ­ке по­верх­но­сти ко­то­рой со­от­вет­ст­ву­ет оп­ре­де­лён­ное со­стоя­ние пол­но­стью по­ля­ри­зо­ван­но­го све­та. Центр сфе­ры Пу­ан­ка­ре от­ве­ча­ет не­по­ля­ри­зо­ван­но­му све­ту, а час­тич­но по­ля­ри­зо­ван­ный свет ото­бра­жа­ет­ся точ­кой внут­ри сфе­ры.

Для опи­са­ния по­ля­ри­за­ци­он­но­го со­стоя­ния не­мо­но­хро­ма­тич. или час­тич­но по­ля­ри­зо­ван­но­го све­та ис­поль­зу­ют т. н. па­ра­мет­ры Сто­кса, пред­став­ляю­щие со­бой ин­тен­сив­но­сти разл. по­ля­ри­за­ци­он­ных ком­по­нент. Бла­го­да­ря про­сто­те экс­пе­рим. оп­ре­де­ле­ния этих па­ра­мет­ров и удоб­ст­ву ана­ли­тич. опи­са­ния про­цес­сов пре­об­ра­зо­ва­ния П. с. с по­мо­щью мат­ри­цы Мюл­ле­ра, век­тор Сто­кса ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся при ре­ше­нии за­дач по­ля­ри­за­ци­он­ной оп­ти­ки. Обыч­но из­ме­ря­ют ср. зна­че­ния па­ра­мет­ров Сто­кса. Изу­че­ние бо­лее вы­со­ких мо­мен­тов па­ра­мет­ров Сто­кса или за­ко­нов их рас­пре­де­ле­ния да­ёт бо­лее де­таль­ную ин­фор­ма­цию о П. с., вы­яв­ляя т. н. скры­тую по­ля­ри­за­цию, ска­ляр­ный свет и по­ля­ри­за­ци­он­но-сжа­тый свет. П. с. двух по­след­них ти­пов аде­к­ват­но опи­сы­ва­ет­ся кван­то­во­ме­ха­нич. ме­то­дом при за­ме­не па­ра­мет­ров Сто­кса на опе­ра­то­ры.

В кван­то­вой элек­тро­ди­на­ми­ке с П. с. свя­зы­ва­ют спи­но­вое со­стоя­ние фо­то­нов, об­ра­зую­щих све­то­вой пу­чок. Так, пра­во- или ле­во­цир­ку­ляр­но по­ля­ри­зо­ван­ный свет со­от­вет­ст­ву­ет по­то­ку фо­то­нов с про­ек­ци­ей спи­на на на­прав­ле­ние рас­про­стра­не­ния (спи­раль­но­стью) +1 или –1. Эл­лип­ти­че­ски по­ля­ри­зо­ван­но­му све­ту со­от­вет­ст­ву­ет су­пер­по­зи­ция спи­но­вых со­стоя­ний элек­тро­маг­нит­но­го по­ля (см. Ин­тер­фе­рен­ция со­стоя­ний). Ка­ж­дый из цир­ку­ляр­но по­ля­ри­зо­ван­ных фо­то­нов не­сёт мо­мент им­пуль­са, рав­ный $±h$ ($h$ – по­сто­ян­ная План­ка), что про­яв­ля­ет­ся в ря­де эф­фек­тов взаи­мо­дей­ст­вия све­та с ве­ще­ст­вом (напр., в Са­дов­ско­го эф­фек­те).

Осо­бен­но­сти эле­мен­тар­но­го ак­та из­лу­че­ния, а так­же мно­же­ст­во фи­зич. про­цес­сов, на­ру­шаю­щих осе­вую сим­мет­рию све­то­во­го пуч­ка, при­во­дят к то­му, что свет все­гда час­тич­но по­ля­ри­зо­ван. Та­кой свет ха­рак­те­ри­зу­ет­ся сте­пе­нью по­ля­ри­за­ции – от­но­ше­ни­ем сред­ней по вре­ме­ни ин­тен­сив­но­сти по­ля­ри­зо­ван­ной час­ти све­та к его пол­ной ин­тен­сив­но­сти. П. с. мо­жет воз­ни­кать при от­ра­же­нии и пре­лом­ле­нии све­та на гра­ни­це раз­де­ла двух сред, при про­хо­ж­де­нии че­рез ани­зо­троп­ную сре­ду (см. Двой­ное лу­че­пре­лом­ле­ние, Дих­ро­изм), при рас­сея­нии све­та, при оп­тич. воз­бу­ж­де­нии све­че­ния в па­рáх, жид­ко­стях и твёр­дых телах. Из­лу­че­ние ла­зе­ров обыч­но пол­но­стью по­ля­ри­зо­ва­но. В силь­ных элек­трич. и маг­нит­ных по­лях на­блю­да­ет­ся пол­ная по­ля­ри­за­ция ком­по­нент рас­ще­п­ле­ния спек­траль­ных ли­ний по­гло­ще­ния и лю­ми­нес­цен­ции (см. Элек­тро­оп­ти­ка, Маг­ни­то­оп­ти­ка). Не­ко­то­рые из этих эф­фек­тов ле­жат в ос­но­ве про­стей­ших по­ля­ри­за­ци­он­ных при­бо­ров – по­ля­ри­за­то­ров, фа­зо­вых пла­сти­нок и др.

По­ля­ри­зо­ван­ный свет мо­жет не толь­ко слу­жить зон­дом оп­тич. ани­зо­тро­пии сре­ды, но и вы­зы­вать воз­му­ще­ние сре­ды (см. Не­ли­ней­ная оп­ти­ка). При этом ха­рак­тер све­то­ин­ду­ци­руе­мой ани­зо­тро­пии оп­ре­де­ля­ет­ся ти­пом П. с. Так, цир­ку­ляр­но по­ля­ри­зо­ван­ный свет спо­со­бен ини­ции­ро­вать в сре­де цир­ку­ляр­ную ани­зо­тро­пию (см. Оп­ти­че­ская ори­ен­та­ция), а ли­ней­но по­ля­ри­зо­ван­ный свет ин­ду­ци­ру­ет ли­ней­ную ани­зо­тро­пию (вы­страи­ва­ние, оп­тич. эф­фект Кер­ра).

П. с. и осо­бен­но­сти взаи­мо­дей­ст­вия по­ля­ри­зо­ван­но­го све­та с ве­ще­ст­вом ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся в ис­сле­до­ва­ни­ях оп­тич. и маг­нит­ных свойств кон­ден­си­ров. и га­зо­об­раз­ных сред, ди­на­ми­ки быс­тро­про­те­каю­щих про­цес­сов, струк­ту­ры био­ло­гич. объ­ек­тов, для по­лу­че­ния ин­фор­ма­ции о труд­но­дос­туп­ных объ­ек­тах (напр., в ас­т­ро­фи­зи­ке). По­ля­ри­зо­ван­ный свет ис­поль­зу­ет­ся во мно­гих об­лас­тях тех­ни­ки: в уст­рой­ст­вах об­ра­бот­ки и пе­ре­да­чи ин­фор­ма­ции, в уст­рой­ст­вах мо­ду­ля­ции и ос­лаб­ле­ния све­та, при ис­сле­до­ва­нии на­пря­же­ний в про­зрач­ных сре­дах, при соз­да­нии све­то­фильт­ров, в ки­но- и фо­то­тех­ни­ке и др.