Поляризация света. Вектора напряжённости электрического поля и напряжённости магнитного поля перпендикулярны между собой и по отношению к направлению распространению света

Эллипсометрия

Вектора напряжённости электрического поля и напряжённости магнитного поля перпендикулярны между собой и по отношению к направлению распространению света. Физическая характеристика оптического излучения, описывающая поперечную анизотропию световых волн, называется поляризацией света. Поскольку вектор перпендикулярен , то для полного описания состояния поляризации светового пучка требуется знание поведения лишь одного из векторов. Обычно выбирают вектор напряжённости электрического поля .

Свет, испускаемый каким-либо атомом или молекулой, всегда поляризован. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа таких частиц-излучателей. При этом пространственные ориентации векторов и моменты актов испускания света отдельными частицами в большинстве случаев распределены хаотически. Поэтому в общем излучении направление в каждый момент времени непредсказуемо и излучение называется неполяризованным, или естественным светом.

Свет называется полностью поляризованным, если две взаимно перпендикулярные компоненты (проекции) вектора светового пучка совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз. Обычно состояние поляризации света изображается с помощью эллипса поляризации – проекции траектории конца вектора на плоскость, перпендикулярную лучу. Проекционная картина полностью поляризованного света в общем в случае имеет вид эллипса с правым или левым направлением вращения вектора во времени. Такой свет называется эллиптически поляризованным (ЭП). Наибольший интерес представляют предельные случаи ЭП – линейная электромагнитная волна, когда эллипс поляризации вырождается в отрезок прямой линии, определяющий положение плоскости поляризации, и циркулярная, когда эллипс поляризации представляет собой окружность. В первом случае свет называется линейно поляризованным (ЛП), а во втором – право- или лево- циркулярно поляризованным в зависимости от направления вращения вектора .

Если фазовое соотношение между компонентами вектора изменяется за времена существенно меньшие времени измерения состояния поляризации, то свет проявляется как не полностью поляризованный. Состояние поляризации частично поляризованного света описывается параметром степени поляризации, отражающим степень преимуществ фазового сдвига между компонентами вектора световой волны. Если этот фазовый сдвиг равен нулю, то свет обнаруживает преимущественную плоскость колебаний вектора и называется частично линейно поляризованным, если же этот фазовый сдвиг равен 0.5π, то свет обнаруживает преимущественное направление вращения вектора и называется частично циркулярно поляризованным. На рис.1 представлены некоторые примеры поляризации световой волны.

Рис.1. Примеры поляризации света

Плоскость рисунков на рис.1. перпендикулярна направлению распространения света: здесь а и д - линейные поляризации; в - правая круговая поляризация; 6, г и е - эллиптические поляризации различной ориентации. Приведённые рисунки соответствуют положительным разностям фаз d (опережению вертикальных колебаний по сравнению с горизонтальными).

Рисунок	а)	б)	в)	г)	д)	е)
Разность фаз d, рад
Разность хода

Таким образом, полную поляризацию монохроматического света характеризуют проекцией траектории конца вектора Е в каждой точке луча на плоскость, перпендикулярную лучу. В самом общем случае так называемой эллиптической поляризации такая проекция - эллипс, что легко понять, учитывая постоянство разности фаз между взаимно перпендикулярными компонентами Е и одинаковость частоты их колебании в монохроматической волне. Для полного описания эллиптической поляризации необходимо знать направление вращения Е по эллипсу (правое или левое), ориентацию осей эллипса и его эксцентриситет, например, рис.1 (б, г, е). Наибольший интерес представляют предельные случаи - линейная поляризация (разность фаз d =0), когда эллипс вырождается в отрезок прямой, и круговая, или циркулярная, когда разность фаз и эллипс поляризации превращается в окружность. Определяя состояние линейно- пли плоско-поляризованного света, достаточно указать положение плоскости поляризации света, поляризованного по кругу, - направление вращения (правое, как на рис.1 в, пли левое). В сложных неоднородных световых волнах (например, в металлах или при полном внутреннем отражении) мгновенные направления векторов Е и уже не связаны простым соотношением ортогональности, и для полного описания поляризации света в таких волнах требуется знание поведения каждого из этих векторов по отдельности.

Если фазовый сдвиг равен нулю, то свет обнаруживает преимущественную плоскость колебаний вектора и называется частично линейно поляризованным, если же этот фазовый сдвиг равен , то свет обнаруживает преимущественное направление вращения вектора и называется частично циркулярно поляризованным.

Естественный свет не обнаруживает фазовой корреляции между компонентами вектора , разность фаз между ними непрерывно хаотически меняется. Параметр степени поляризации света, определяемый как отношение разности интенсивностей двух выделенных ортогональных состояний поляризации к их сумме, может меняться в диапазоне от 0 до 100%. Следует отметить, что свет, проявляющийся в одних случаях как неполяризованный, в других может оказаться полностью поляризованным с изменяющимся состоянием поляризации.

Особенности взаимодействия поляризованного света с веществом нашли исключительно широкое применение в научных исследованиях кристаллохимической и магнитной структуры твёрдых тел, оптических свойств кристаллов, природы состояний, ответственных за оптические переходы, структуры биологических объектов, характера поведения газообразных, жидких и твёрдых тел в полях анизотропных возмущений (электрическом, магнитном, световом и пр.), а также для получения информации о труднодоступных объектах (в частности, в астрофизике).

Поляризованный свет широко используется во многих областях техники, например, при необходимости плавной регулировки интенсивности светового пучка (использование закона Малюса), при исследованиях напряжений в прозрачных средах (поляризационно-оптический метод исследования), для увеличения контраста и ликвидации световых бликов в фотографии, при создании светофильтров, модуляторов излучения и пр.

Линейно поляризованный свет можно наблюдать, например, в излучении лазера. Другой способ получения линейно поляризованного света состоит в пропускании естественного света через поляроид (поляризационный светофильтр), который свободно пропускает компоненту света, поляризованную вдоль выделенного направления, и полностью поглощает свет с перпендикулярной поляризацией.

Для поляризации света используются различные кристаллы, обладающие двойным лучепреломлением, например, кварц и исландский шпат.

Если на такой поляроид падает линейно поляризованная волна, то интенсивность I прошедшего света будет зависеть от угла a между направлением поляризации падающего света и выделенным направлением самого поляроида следующим образом (закон Малюса):

.

Наиболее распространенным поляризатором является призма Николя (чаще, просто николь). Проходящий через николь свет должен преодолеть границу двух сред, на которой условия преломления света для компонент светового пучка, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, резко различаются. Например, для одной из этих компонент на границе могут выполняться условия полного внутреннего отражения, и через призму проходит лишь другая компонента света. Такие поляроиды называются однолучевыми.

Двухлучевые поляризаторы пропускают обе взаимно перпендикулярные компоненты падающего на него светового пучка и пространственно разделяют их. Чаще всего их изготовляют из исландского шпата (CaCO₃), прозрачного в диапазоне длин волн от 0.2 мкм до 2 мкм, и кристаллов кварца (SiO₂), прозрачного в диапазоне длин волн до 3.5 мкм.

Трехгранные призмы однолучевых поляризаторов обычно склеивают прозрачным веществом с показателем преломления, близким к среднему значению обыкновенного и необыкновенного лучей. Склеивающими веществами служат, например, канадский бальзам, глицерин, касторовое и льняное масла. В некоторых призмах их части разделены не клеящим веществом, а воздушной прослойкой для снижения потерь на поглощение при высоких плотностях излучения и при работе в УФ части спектра. Используют также прослойки из плавленого кварца.

Эллипсометрия – это совокупность методов изучения поверхностей жидких и твёрдых тел тел по состоянию поляризации светового пучка, отражённого этой поверхностью и преломлённого на ней. Падающий на поверхность плоско поляризованный свет приобретает при отражении и преломлении эллиптическую поляризацию вследствие наличия тонкого переходного слоя на границе раздела сред. Зависимость между оптическими постоянными слоя и параметрами эллиптически поляризованного света устанавливается на основании формул Френеля. На принципах эллипсометрии построены прецизионные бесконтактные методы исследований поверхности жидкости или твёрдых веществ, процессов адсорбции, коррозии и др. В качестве источника света в эллипсометрии используется монохроматическое излучение зелёной линии ртути, а в последнее время – лазерное излучение, что даёт возможность исследовать микронеоднородности на поверхности изучаемого объекта. Получило развитие также новое направление спектральной эллипсометрии в широком интервале длин волн, существенное при исследованиях атомного состава неоднородных и анизотропных поверхностей и плёнок.

Дата добавления: 2014-01-07