Большая Советская Энциклопедия (ПО)

Большая Советская Энциклопедия

2) Электрический дипольный момент единицы объёма диэлектрика.

Поляризация небесного свода

Поляриза'ция небе'сного сво'да , одно из оптических явлений атмосферы, наблюдаемое при безоблачной погоде днём, а также ночью при лунном свете. Заключается в том, что лучистый поток, поступающий на земную поверхность в виде рассеянного толщей воздуха света неба, частично поляризован (см. Поляризация света ). П. н. с. была открыта французским учёным Д. Араго в 1809. Невооружённым глазом она не может быть замечена и обнаруживается при помощи полярископа (см. Поляризационные приборы ). Поляризация в данной точке неба количественно характеризуется прежде всего двумя величинами: степенью поляризации, которая представляет собой отношение полностью поляризованного потока лучистой энергии ко всему потоку, поступающему от данного участка неба, и положением плоскости поляризации, определяемой двугранным углом, составляемым последней с плоскостью вертикала . Наиболее полно П. н. с. изучена для вертикала, проходящего через Солнце. Максимум степени поляризации,

как правило, наблюдается в точке вертикала, отстоящей от солнечного диска на 90°, где доля поляризованных лучей может доходить до 85%, а плоскость поляризации совпадает с плоскостью вертикала. От этой точки П. н. с. уменьшается в обе стороны и достигает нуля в т. н. нейтральных точках неба — точках Араго и Бабине. П. н. с. имеет суточный и годовой ход и зависит от условий погоды, географического положения местности и др. факторов. Свет, рассеиваемый крупными частицами, совсем не поляризован, поэтому даже небольшая облачность сильно снижает П. н. с. Увеличение мутности атмосферы за счёт пыли, дыма, вулканического пепла и тому подобных примесей также влечёт за собой резкое снижение П. н. с., поэтому степень П. н. с. может служить косвенным признаком прозрачности атмосферы .

Лит.: Соболев В. В., Рассеяние света в атмосферах планет, М., 1972.

Поляризация света

Поляриза'ция све'та , одно из фундаментальных свойств оптического излучения (света), состоящее в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны). П. с. называются также геометрические характеристики, которые отражают особенности этого неравноправия. Впервые понятие о П. с. было введено в оптику И. Ньютоном в 1704—06, хотя явления, обусловленные ею, изучались и ранее (открытие двойного лучепреломления в кристаллах Э. Бартолином в 1669 и его теоретическое рассмотрение Х. Гюйгенсом в 1678—90). Сам термин «П. с.» предложен в 1808 Э. Малюсом . С его именем и с именами Ж. Био , О. Френеля , Д. Араго , Д. Брюстера и др. связано начало широкого исследования эффектов, в основе которых лежит П. с.

Существенное значение для понимания П. с. имело её проявление в эффекте интерференции света . Именно тот факт, что два световых луча, линейно поляризованных (см. ниже) под прямым углом друг к другу, при простейшей постановке опыта не интерферируют, явился решающим доказательством поперечности световых волн (Френель, Араго, Т. Юнг , 1816—19). П. с. нашла естественное объяснение в электромагнитной теории света Дж. К. Максвелла (1865—73) (см. Оптика ).

Поперечность световых волн (как и любых др. электромагнитных волн ) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряжённости электрического поля Е и напряжённости магнитного поля Н перпендикулярны направлению распространения волны. Е и Н выделяют (отсюда указанное выше неравноправие) определённые направления в пространстве, занятом волной. Кроме того, Е и Н почти всегда (об исключениях см. ниже) взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния П. с. требуется знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор Е.

Световой импульс, испускаемый каким-либо отдельно взятым элементарным излучателем (атом, молекула) в единичном акте излучения, всегда поляризован полностью. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа таких частиц-излучателей; пространственная ориентации векторов Е (и моменты актов излучения) световых импульсов отдельных частиц в большинстве случаев распределены хаотически (это не относится, например, к лазерам ). Кроме того, поляризация меняется в результате процессов взаимодействия между частицами-излучателями. Поэтому в общем излучении подавляющего большинства источников направление Е не определено (оно непрерывно и беспорядочно меняется за чрезвычайно малые промежутки времени). Подобное излучение называется неполяризованным, или естественным, светом. Е, как и всякий вектор, всегда можно представить в виде суммы его проекций на 2 взаимно перпендикулярных направления (выбираемых в плоскости, поперечной направлению распространения света). В естественном свете разность фаз между такими проекциями непрерывно и хаотически меняется. В полностью поляризованном свете эта разность фаз строго постоянна, т. е. взаимно перпендикулярные компоненты Е когерентны (см. Когерентность ). Создав определённые условия на пути распространения естественного света, можно выделить из него поляризованную (полностью или частично) составляющую. Кроме того, полная или частичная (о смысле этого понятия см. ниже) П. с. возникает в ряде природных процессов испускания света и его взаимодействия с веществом.

Полную поляризацию монохроматического света характеризуют проекцией траектории конца вектора Е (рис. 1 ) в каждой точке луча на плоскость, перпендикулярную лучу. В самом общем случае т. н. эллиптической поляризации такая проекция — эллипс, что легко понять, учитывая постоянство разности фаз между взаимно перпендикулярными компонентами Е и одинаковость частоты их колебаний в монохроматической волне. Для полного описания эллиптической П. с. необходимо знать направление вращения Е по эллипсу (правое или левое), ориентацию осей эллипса и его эксцентриситет (см., например, рис. 2 , б, г, е). Наибольший интерес представляют предельные случаи эллиптической П. с. — линейная П. с. (разность фаз 0, k p, где k — целое число, рис. 2 , а и д), когда эллипс вырождается в отрезок прямой, и круговая, или циркулярна я, П. с. [разность фаз ±(2k + 1)p/2], при которой эллипс поляризации превращается в окружность. Определяя состояние линейно- или плоскополяризованного света, достаточно указать положение плоскости поляризации света, поляризованного по кругу,— направление вращения (правое — рис. 2 , в, или левое). В сложных неоднородных световых волнах (например, в металлах или при полном внутреннем отражении ) мгновенные направления векторов Е и Н уже не связаны простым соотношением ортогональности, и для полного описания П. с. в таких волнах требуется знание поведения каждого из этих векторов по отдельности.

Если фазовое соотношение между компонентами (проекциями) Е меняется за времена, много меньшие времени измерения П. с., нельзя говорить о полной П. с. Однако может случиться, что в составляющих пучок света монохроматических волнах Е меняется не совершенно хаотически, а между взаимно перпендикулярными компонентами Е существует некоторый преимущественный фазовый сдвиг (фазовая корреляция), сохраняющийся в течение достаточно длительного времени. Физически это означает, что в поле световой волны амплитуда проекции Е на одно из взаимно перпендикулярных направлений всегда больше, чем на другое. Степень подобной фазовой корреляции в таком — частично поляризованном — свете описывают параметром р — степенью П. с. Так, если преимущественный фазовый сдвиг равен 0, свет частично линейно поляризован; ± p/2 — частично поляризован по кругу. Частично поляризованный свет можно рассматривать как «смесь» двух крайних видов — полностью поляризованного и естественного. Их соотношение и характеризуют параметром р, который часто (но не всегда) определяют как

, где индексы 1 и 2 относятся к интенсивностям I света двух «ортогональных» поляризаций, например линейных во взаимно перпендикулярных плоскостях или соответствующих правой и левой круговым поляризациям; р может меняться от 0 до 100%, отражая все количественные градации состояния П. с. (Следует иметь в виду, что свет, проявляющийся в одних опытах как неполяризованный, в других может оказаться полностью поляризованным — с П. с., меняющейся во времени, по сечению пучка или по спектру.)

В квантовой оптике электромагнитное излучение рассматривают как поток фотонов (см. Излучение , Квантовая механика , Оптика ). Состояния П. с. с квантовой точки зрения определяются тем, каким моментом количества движения обладают фотоны в потоке. Так, фотоны с круговой поляризацией (правой или левой) обладают моментом, равным ±

(

— Планка постоянная ). Любое состояние П. с. может быть выражено всего через два т. н. базисных состояния. При описании П. с. выбор пары исходных базисных состояний неоднозначен — ими могут служить, например, любые две взаимно-ортогональные линейные П. с., правая и левая круговые П. с. и т.д., причём в каждом случае от одной пары базисных состояний можно по определённым правилам перейти к др. паре.

Эта неоднозначность имеет в квантовом подходе принципиальный характер, однако «произвол» обычно ограничивают конкретные физические условия: наиболее удобно выбирать за базисную пару такие состояния П. с., которые преобладают в актах испускания фотонов элементарными излучателями либо определяют рассматриваемый процесс взаимодействия света и вещества. (Определение состояния П. с. на опыте осуществляется с помощью такого взаимодействия; по общим правилам квантовой механики подобный эксперимент всегда меняет — иногда пренебрежимо мало, иногда существенно — исходную П. с.) Базисные состояния и состояния, описываемые любой линейной комбинацией базисных (суперпозицией, см. Суперпозиции принцип ), называются чистыми. Они соответствуют полной П. с., со степенью П. с. 100%. Фотоны могут находиться не только в чистых, но и в т. н. смешанных состояниях, в которых степень их поляризации меньше 100% и может доходить до нуля (естественный свет). Смешанные состояния также выражаются через базисные, но более сложным образом, чем линейная суперпозиция (их называют некогерентной смесью чистых состояний). Взаимодействие света и вещества может в определённых условиях приводить к полному или частичному «выделению» чистых состояний из смешанных (за счёт упомянутого выше изменения П. с. при таком взаимодействии).

Это явление используется для получения полностью поляризованного света или увеличения степени П. с. во многих поляризационных приборах . Если за базисные состояния П. с. выбраны две круговые (правая и левая) П. с., то при их наложении (когерентной суперпозиции) в равных долях наблюдается линейная П. с.; суперпозиции их в различных др. соотношениях дают эллиптические П. с. со всевозможными характеристиками. Через эти же базисные состояния могут быть выражены любые смешанные состояния. Т. о., тот или иной выбор всего двух базисных состояний даёт возможность описать все состояния П. с.