Polarisationsgrad von teilweise polarisiertem Licht: Definition, Beschreibung und Formel

Heute werden wir die Essenz der Wellennatur des Lichts und das damit verbundene Phänomen "Polarisationsgrad" offenbaren.

Die Fähigkeit zu sehen und zu beleuchten

Die Natur des Lichts und die damit verbundene Fähigkeitbesorgte menschliche Gedanken für eine lange Zeit zu sehen. Die alten Griechen, die versuchten, das Sehen zu erklären, gingen davon aus, dass entweder das Auge einige "Strahlen" aussendet, die die umgebenden Objekte "fühlen" und dadurch die Person über ihr Aussehen und ihre Form informieren, oder dass die Dinge selbst etwas aussenden, das die Menschen fangen und beurteilen, wie alles funktioniert ... Theorien erwiesen sich als weit von der Wahrheit entfernt: Lebewesen sehen durch reflektiertes Licht. Von der Erkenntnis dieser Tatsache bis zur Berechnung des Polarisationsgrades blieb nur noch ein Schritt - zu verstehen, dass Licht eine Welle ist.

Licht ist eine Welle

Eine detailliertere Untersuchung des Lichts ergab: Ohne Interferenz breitet es sich geradlinig aus und dreht sich nirgendwo hin. Wenn ein undurchsichtiges Hindernis im Weg des Strahls steht, bilden sich Schatten, und wo das Licht selbst hingeht, waren die Menschen nicht interessiert. Aber sobald die Strahlung mit einem transparenten Medium kollidierte, passierten erstaunliche Dinge: Der Strahl änderte seine Ausbreitungsrichtung und wurde dunkler. 1678 schlug H. Huygens vor, dass dies durch eine einzige Tatsache erklärt werden kann: Licht ist eine Welle. Der Wissenschaftler formte das Huygens-Prinzip, das später durch Fresnel ergänzt wurde. Dank dessen wissen die Menschen heute, wie man den Polarisationsgrad bestimmt.

Huygens-Fresnel-Prinzip

Nach diesem Prinzip kann jeder Punkt in der Umwelt bis zuWas die Wellenfront erreicht hat, ist eine sekundäre Quelle kohärenter Strahlung, und die Hüllkurve aller Fronten dieser Punkte fungiert zum nächsten Zeitpunkt als Wellenfront. Wenn sich das Licht also störungsfrei ausbreitet, ist die Wellenfront in jedem nächsten Moment dieselbe wie im vorherigen. Sobald der Strahl jedoch auf ein Hindernis trifft, kommt ein weiterer Faktor ins Spiel: In unterschiedlichen Umgebungen bewegt sich das Licht mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Somit breitet sich das Photon, das zuerst zu einem anderen Medium gelangt ist, darin schneller aus als das letzte Photon vom Strahl. Folglich neigt sich die Wellenfront. Bisher hat der Polarisationsgrad nichts damit zu tun, aber es ist einfach notwendig, dieses Phänomen vollständig zu verstehen.

Prozess Zeit

Es sollte separat gesagt werden, dass alle diese Änderungenpassieren unglaublich schnell. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt dreihunderttausend Kilometer pro Sekunde. Jedes Medium verlangsamt das Licht, aber nicht viel. Die Zeit, die die Wellenfront benötigt, um sich beim Übergang von einem Medium zum anderen (z. B. von Luft zu Wasser) zu verzerren, ist extrem kurz. Das menschliche Auge kann dies nicht bemerken, und nur wenige Geräte sind in der Lage, so kurze Prozesse aufzuzeichnen. Es lohnt sich also, das Phänomen rein theoretisch zu verstehen. Wenn der Leser nun genau weiß, was Strahlung ist, möchte er verstehen, wie der Polarisationsgrad des Lichts ermittelt werden kann. Lassen Sie uns seine Erwartungen nicht täuschen.

Lichtpolarisation

Wir haben oben bereits erwähnt, dass in verschiedenen Medien PhotonenLichter haben unterschiedliche Geschwindigkeiten. Da Licht eine transversale elektromagnetische Welle ist (es ist keine Verdickung und Verdünnung des Mediums), hat es zwei Hauptmerkmale:

• Wellenvektor;
• Amplitude (auch eine Vektorgröße).

Das erste Merkmal gibt an, woein Lichtstrahl wird gerichtet, und es entsteht ein Polarisationsvektor, dh in welche Richtung der elektrische Feldstärkevektor gerichtet ist. Dies ermöglicht eine Drehung um den Wellenvektor. Natürliches Licht, wie es von der Sonne abgegeben wird, ist nicht polarisiert. Schwingungen breiten sich mit gleicher Wahrscheinlichkeit in alle Richtungen aus, es gibt keine gewählte Richtung oder Figur, entlang der das Ende des Wellenvektors schwingt.

Arten von polarisiertem Licht

Bevor Sie lernen, wie Sie die Formel für den Polarisationsgrad berechnen und Berechnungen durchführen, sollten Sie wissen, um welche Arten von polarisiertem Licht es sich handelt.

1. Elliptische Polarisation. Das Ende des Wellenvektors eines solchen Lichts beschreibt eine Ellipse.
2. Lineare Polarisation. Dies ist ein Sonderfall der ersten Option. Wie der Name schon sagt, ist das Bild in eine Richtung.
3. Zirkulare Polarisation. In anderer Weise wird es auch als kreisförmig bezeichnet.

Jedes natürliche Licht kann als gedacht werdendie Summe zweier zueinander senkrecht polarisierter Elemente. Es ist zu beachten, dass zwei senkrecht polarisierte Wellen nicht interagieren. Ihre Interferenz ist unmöglich, da sie unter dem Gesichtspunkt der Wechselwirkung von Amplituden nicht füreinander zu existieren scheinen. Wenn sie sich treffen, gehen sie einfach weiter, ohne sich zu verändern.

Teilweise polarisiertes Licht

Die Anwendung des Polarisationseffekts ist enorm. Durch Richten von natürlichem Licht auf ein Objekt und Empfangen von teilweise polarisiertem Licht können Wissenschaftler die Eigenschaften der Oberfläche beurteilen. Aber wie bestimmen Sie den Polarisationsgrad von teilweise polarisiertem Licht?

Es gibt eine Formel N.A. Umova:

P = (I._Fahrbahn-ICH_Dampf) / (ICH_Fahrbahn+ I._Dampf), wo ich_Fahrbahn Ist die Intensität des Lichts in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Polarisators oder der reflektierenden Oberfläche und I._Dampf - parallel. Der Wert von P kann Werte von 0 (für natürliches Licht ohne Polarisation) bis 1 (für eben polarisierte Strahlung) annehmen.

Kann natürliches Licht polarisiert werden?

Auf den ersten Blick ist die Frage seltsam.Schließlich wird Strahlung, in der es keine ausgewählten Richtungen gibt, gewöhnlich als natürlich bezeichnet. Für die Bewohner der Erdoberfläche ist dies jedoch in gewissem Sinne eine Annäherung. Die Sonne gibt einen Strom elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Länge ab. Diese Strahlung ist nicht polarisiert. Durch eine dicke Schicht der Atmosphäre gelangt die Strahlung jedoch zu einer unbedeutenden Polarisation. Der Polarisationsgrad des natürlichen Lichts ist also im Allgemeinen nicht Null. Aber die Größe ist so klein, dass sie oft vernachlässigt wird. Dies wird nur bei präzisen astronomischen Berechnungen berücksichtigt, bei denen der kleinste Fehler dem Stern Jahre oder die Entfernung zu unserem System hinzufügen kann.

Warum ist Licht polarisiert?

Oben haben wir das oft in unterschiedlichen Umgebungen gesagtPhotonen verhalten sich anders. Aber sie haben nicht erwähnt warum. Die Antwort hängt davon ab, um welche Art von Umgebung es sich handelt, mit anderen Worten, in welchem ​​Aggregationszustand es sich befindet.

1. Mittwoch ist ein kristalliner Körper mit strengenperiodische Struktur. Normalerweise wird die Struktur einer solchen Substanz als Gitter mit festen Kugeln dargestellt. Im Allgemeinen ist dies jedoch nicht ganz richtig. Eine solche Annäherung ist oft gerechtfertigt, jedoch nicht bei Wechselwirkungen zwischen einem Kristall und elektromagnetischer Strahlung. Tatsächlich schwingt jedes Ion um seine Gleichgewichtsposition und nicht chaotisch, sondern in Übereinstimmung mit den Nachbarn, in welchen Entfernungen und wie vielen. Da alle diese Schwingungen streng von einem starren Medium programmiert werden, kann dieses Ion ein absorbiertes Photon nur mit einer genau definierten Form emittieren. Diese Tatsache führt zu einer anderen: Wie polarisiert das austretende Photon sein wird, hängt von der Richtung ab, in der es in den Kristall eingetreten ist. Dies wird als Eigenschaftsanisotropie bezeichnet.
2. Mittwoch ist flüssig.Hier ist die Antwort komplizierter, da zwei Faktoren am Werk sind - die Komplexität der Moleküle und Schwankungen (Verdickung-Verdünnung) der Dichte. Komplexe lange organische Moleküle haben an sich eine spezifische Struktur. Selbst die einfachsten Schwefelsäuremoleküle sind kein chaotischer kugelförmiger Klumpen, sondern eine sehr spezifische kreuzförmige Form. Eine andere Sache ist, dass sie alle unter normalen Bedingungen chaotisch angeordnet sind. Der zweite Faktor (Fluktuation) kann jedoch Bedingungen schaffen, unter denen sich eine kleine Anzahl von Molekülen in einem kleinen Volumen wie eine temporäre Struktur bildet. In diesem Fall sind entweder alle Moleküle gemeinsam gerichtet oder sie befinden sich in bestimmten Winkeln relativ zueinander. Wenn zu diesem Zeitpunkt Licht durch einen solchen Flüssigkeitsabschnitt tritt, wird es teilweise polarisiert. Daraus folgt, dass die Temperatur die Polarisation der Flüssigkeit stark beeinflusst: Je höher die Temperatur, desto stärker die Turbulenzen und desto mehr solche Bereiche werden gebildet. Die letztere Schlussfolgerung besteht dank der Theorie der Selbstorganisation.
3. Mittwoch - Gas.Bei einem homogenen Gas tritt eine Polarisation aufgrund von Schwankungen auf. Deshalb erhält das natürliche Licht der Sonne, das durch die Atmosphäre fällt, eine leichte Polarisation. Und deshalb ist die Farbe des Himmels blau: Die durchschnittliche Größe der verdichteten Elemente ist so, dass blaue und violette elektromagnetische Strahlung gestreut wird. Wenn es sich jedoch um ein Gasgemisch handelt, ist die Berechnung des Polarisationsgrades viel schwieriger. Diese Probleme werden oft von Astronomen gelöst, die das Licht eines Sterns untersuchen, der durch eine dichte molekulare Gaswolke gegangen ist. Deshalb ist es so schwierig und interessant, entfernte Galaxien und Cluster zu untersuchen. Aber Astronomen tun es und geben den Menschen erstaunliche Weltraumfotos.