Волны, у которых направления электрического (E) и магнитного (B) полей сохраняются неизменными в пространстве или изменяются по определённому закону, называют поляризованными. За направление поляризации принято считать направление электрического поля E волны. Строго монохроматическое излучение всегда поляризовано. У излучения, состоящего из волн различной длины, направление колебаний вектора E результирующей волны может изменяться либо упорядоченно, либо хаотически. Излучение, у которого направление вектора E изменяется хаотически, называется неполяризованным (примером может служить естественный свет).

Для поляризованного излучения различают: линейную поляризацию, при которой вектор электрического поля E сохраняет своё направление в пространстве; круговую поляризацию, когда вектор E вращается вокруг направления распространения волны с угловой скоростью, равной угловой частоте волны, и сохраняет при этом свою абсолютную величину; эллиптическую поляризацию, если вращение вектора электрического поля подобно вращению при круговой поляризации, но величина вектора меняется так, что его конец описывает эллипс. Эллиптическая и круговая поляризация может быть правой (вектор E вращается по часовой стрелке, если смотреть навстречу распространяющейся волне) и левой (при вращении в противоположную сторону).
Электромагнитная волна может быть также частично поляризованной. Частичная поляризация количественно характеризуется степенью поляризации, которая для волн с частичной линейной поляризации определяется как

где I_max и I_min – наибольшая и наименьшая плотности потока электромагнитной энергии через анализатор (поляроид, призму Николя).

Если в процессе распространения волн вектор Е (и В ) изменяется только в одной плоскости, которая параллельна направлению их распространения, то такие волны называют линейно поляризованными. Плоскость колебаний вектора Е называют плоскостью поляризации.

 

Излучение обычных источников не поляризовано. Это так называемый естественный свет, в котором колебания вектора Е изменяются случайным образом по всем направлениям. Кроме линейной, возможно также получение циркулярной или эллиптической поляризации.

Для того, чтобы представить себе условия возникновения этих видов поляризации, рассмотрим суперпозицию линейно поляризованных волн Е₁ (плоскость поляризации вдоль оси х)и Е₂ (плоскость поляризации вдоль оси y), имеющих одинаковую частоту ω и распространяющихся в направлении оси OZ, то есть

С течением времени конец вектора Е описывает в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, некоторую замкнутую кривую. Выясним ее вид. Для этого обозначим Е_1х(z, t) = Е_x и Е_2y(z, t) = Е_y и запишем равенство в виде

откуда

 

Рассмотрим следующие случаи:
1. cos(dφ)=0, то есть dφ=π/2+mπ , где m = 0, ±1, ±2, ...
В таком случае,

Если E_0x, E_0y, то соотношение будет являться уравнением эллипса с центром в начале координат, причем его полуоси будут равны E_0x и E_0y и совпадут с осями Х и Y.
При z = 0 уравнения примут вид

Из равенств и видно, что конец вектора вращается с угловой скоростью ω при четном m против часовой стрелки и при нечетном m – по часовой стрелке.
Такой случай поляризации называется эллиптической поляризацией. В частном случае, если E_0x = E_0y, эллипс вырождается в окружность, т.е. конец вектора будет описывать окружность. При таком сложении волн возникает циркулярная поляризация. Соответственно при четном m возникает волна, поляризованная по правому кругу, при нечетном m - по левому кругу.

2. cos(dφ)≠0,±1. В этом случае равенство будет описывать эллипс, главные оси которого образуют некоторый угол с осями ОХ и ОY (рисунок 3).

3. cos(dφ)=±1 , sin(dФ)=0. С учетом этих условий

причем при cos(dφ) =1 результирующее линейное колебание будет осуществляться в первом и третьем, а при cos(dφ) =-1 — во втором и четвертом квадранте.
На основании изложенного можно сделать вывод, что волна любой поляризации может быть получена в результате суперпозиции двух других, имеющих ортогональную поляризацию, то есть для электромагнитных волн существуют две независимые взаимно перпендикулярные поляризации.

Рассмотрим суперпозицию волн с левой и правой циркулярной поляризацией. Пусть при некотором z = 0 векторы Е₁ и Е₂ заданы выражениями

В результате суперпозиции волн получим:

то есть имеем волну с линейной поляризацией, причем линия колебаний совпадает с осью Х.
Таким образом, любую линейно поляризованную волну можно представить как суперпозицию двух циркулярно поляризованных.
 

 

 

Свет солнца, являющийся тепловым излучением, не имеет поляризации, однако рассеянный свет неба приобретает частичную линейную поляризацию. Поляризация света меняется также при отражении. На этих фактах основаны применения поляризующих фильтров в фотографии . Линейную поляризацию имеет обычно излучение антенн. По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца.

Если рассеянный свет поляризовать, то, используя поляризационный фильтр с иной поляризацией, можно ограничивать прохождение света. Интенсивность света прошедшего через поляризаторы подчиняется закону Малюса. На этом принципе работают жидкокристаллические экраны.

Некоторые живые существа, например пчёлы, способны различать линейную поляризацию света, что даёт им дополнительные возможности для ориентации в пространстве. В анизотропных средах волны разной поляризации имеют различные скорости распространения и различные коэффициенты затухания. Поэтому при падении волны на границу раздела с анизотропной средой могут возникать сразу несколько преломлённых волн, распространяющихся под углами, отличными от устанавливаемых законами Снелля. Такие свойства анизотропных сред лежат в основе многих поляризационных приборов (различных поляризаторов, деполяризаторов, поляризационных анализаторов, компенсаторов).
 

Источники электромагнитного излучения генерируют волны различной поляризации. Тепловое излучение, генерируемое хаотически распределёнными атомами и электронами, всегда неполяризовано. Циклотронное излучение, генерируемое системой электронов, вращающихся в магнитном поле, имеет круговую поляризацию. Синхротронное излучение одного релятивистского электрона имеет эллиптическую поляризацию, но система таких электронов даёт линейно поляризованное излучение, то есть правые и левые вращения эллиптической поляризации здесь складываются и компенсируют друг друга. Электрический вектор синхротронного излучения колеблется в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, так как в этой плоскости всегда остаётся вектор ускорения электрона, движущегося в магнитное поле. В магнитном поле энергетические уровни атома расщепляются на различные подуровни, соответственно расщепляются и спектральные линии. Поскольку колебания электронов в магнитном поле ориентированы определённым образом, компоненты линии оказываются поляризованными линейно, эллиптически или по кругу в зависимости от угла между полем и лучом зрения.

Поляризация при рассеянии света хорошо известна, например рассеянный земной атмосферой свет из-за рэлеевского рассеяния на молекулах воздуха поляризован. Подобная поляризация имеет место в солнечной короне и в атмосферах горячих звёзд, где относительно велика роль электронного рассеяния излучения. Очевидно, такая поляризация максимальна на краях звёздного диска, и вектор E поляризованного излучения колеблется по касательной к диску. Для чисто электронной атмосферы максимальная степень поляризации 12%.
Свет поляризуется при рассеянии на частицах космической пыли в туманностях, а также при рассеянии и поглощении на частицах пыли в межзвёздном пространстве. Природа этого явления, однако, другая. Частицы межзвёздной пыли обычно имеют неправильную форму (например, удлинённую по одной оси). Они ориентируются межзвёздным магнитным полем. Поскольку волна с направлением электрического вектора вдоль большой оси частицы поглощается и рассеивается больше, чем волна с электрическим вектором вдоль малой оси, то в результате проходящий через среду свет оказывается частично поляризованным. Степень поляризации (доля поляризованного излучения) обычно не больше несколько процентов.
 

Поляризатор, поляризационный фильтр — устройство для получения полностью или частично поляризованного оптического излучения из излучения с произвольными поляризационными характеристиками. В фотографии поляризационные фильтры используются для достижения различных художественных эффектов (устранение бликов, затемнение неба).
Для большинства практических применений поляризационный фильтр изготавливают в виде двух стеклянных пластинок с находящейся между ними плёнкой. Поляроидная плёнка представляет из себя слой ацетилцеллюлозы, содержащий большое количество мелких кристаллов герапатита (иодистое соединение сернокислого хинина). Применяются также иодно-поливиниловые плёнки с одинаково ориентированными полимерными цепями. Идентичность ориентации кристаллов достигается с помощью электрического поля, а полимерные цепи ориентируют механическим растяжением
 

Призма Николя — поляризационное устройство, в основе принципа действия которого лежат эффекты двойного лучепреломления и полного внутреннего отражения.
Устройство изобрёл Уильям Николь в 1820 г.

Призма Николя представляет собой две одинаковых треугольных призмы из исландского шпата, склеенных тонким слоем канадского бальзама. Призмы вытачиваются так, чтобы торец был скошен под углом 68° относительно направления проходящего света, а склеиваемые стороны составляли прямой угол с торцами. При этом оптическая ось кристалла (AB) находится под углом 64° с направлением света.