У цьому розділі ми розглянемо коло явищ, пов'язаних із векторним характером електричного поля світлової хвилі. У попередніх розділах напрямок коливань електричного поля нас не цікавив, правда, ми зазначили, що вектор електричного поля лежить у площині, перпендикулярній напрямку поширення світла. Але нам не потрібно було знати напрямок вектора точніше. Тепер ми перейдемо до вивчення явищ, у яких головну роль відіграє певний напрямок коливань електричного вектора.
В ідеально монохроматичній світловій хвилі електричне поле коливається з певною частотою, а оскільки х- та y-компоненти поля можуть коливатися незалежно з однією й тією самою частотою, то спочатку ми розглянемо додавання двох взаємно перпендикулярних коливань. Яке електричне поле виникає при додаванні коливань х- та y-компонент поля з однаковою частотою? Додаючи коливання в напрямку х і коливання з тією самою фазою в напрямку y, отримуємо в площині ху коливання в новому напрямку.
На фіг. 33.1 показано, як відбувається додавання коливань з різними амплітудами в напрямку х і у. Але приклади, наведені на цьому рисунку, не вичерпують усіх можливостей: досі передбачалося, що коливання вздовж осей х і у перебувають в одній фазі, але це зовсім не обов'язково. Може статися, що х- та y-коливання відбуваються з різними фазами.
У цьому останньому випадку вектор електричного поля описує еліпс, що можна проілюструвати на такому простому прикладі. Підвісимо на довгій мотузці м'яч, щоб він міг вільно коливатися в горизонтальній площині; коливання матимуть синусоїдний характер. Уявімо собі подумки осі х і у в горизонтальній площині коливань м'яча з початком координат у точці спокою м'яча. Вибираючи відповідне початкове зміщення і початкову швидкість м'яча, можна змусити м'яч коливатися по осі х, по осі у або в будь-якому іншому напрямку в площині ху з тією самою частотою, що дорівнює частоті маятника. Ці коливання м'яча аналогічні коливанням електричного вектора, наведеним на фіг. 33.1. У кожному випадку коливання в напрямках х і у досягають максимуму одночасно і, отже, обидва коливання перебувають у фазі. Але відомо, що найзагальніший тип руху м'яча — рух по еліпсу — виникає, коли коливання в напрямках х і у відбуваються з різними фазами.
На фіг. 33.2 показано додавання коливань по осях х і у для різних значень зсуву фаз між ними. У всіх прикладах електричний вектор описує еліпс. Коливання по прямій є теж окремим випадком еліптичного, коли зсув фаз дорівнює нулю (або цілому кратному π); за рівних амплітуд і зсуву фаз 90° (або непарного числа π/2) відбувається рух по колу.
На фіг. 33.2 компоненти електричного поля в напрямках х і у записані у вигляді комплексних чисел, що виявляється дуже зручним для явного виділення різниці фаз. У цих позначеннях не слід тільки плутати дійсну та уявну частини з x- та y-компонентами поля. Зображені на фіг. 33.2 компоненти поля по осях х і у є реальними фізичними полями, які можна виміряти. Дійсна та уявна частини вектора електричного поля введені лише для математичної зручності, і фізичного змісту такий поділ не має.
Зробимо кілька зауважень щодо термінології. Світло називається лінійно поляризованим (іноді плоско поляризованим), якщо електричне поле коливається по прямій лінії; на фіг. 33.1 показано випадок лінійної поляризації. Коли вектор електричного поля описує еліпс, говорять про еліптичну поляризацію. Якщо ж електричний вектор описує коло, ми маємо кругову поляризацію. Якщо електричний вектор під час свого руху у світловій хвилі обертається як правосторонній гвинт, говорять про праву кругову поляризацію. На фіг. 33.2, ж наведено приклад правої кругової поляризації, а на фіг. 33.2, в — приклад лівої кругової поляризації. В обох випадках світло рухається від площини сторінки до читача. Наше визначення лівої та правої кругових поляризацій узгоджується з подібними визначеннями для всіх інших частинок у сучасній фізиці, для яких можна ввести поняття поляризації (наприклад, для електронів). Однак у курсах оптики іноді використовуються прямо протилежні визначення, тому читачеві слід з обережністю ставитися до термінів ліва та права поляризація.
Ми описали лінійну, кругову та еліптичну поляризації світла і охопили, таким чином, усі можливі випадки стану світла, крім одного, — випадку неполяризованого світла. Ну, а як же може вийти неполяризоване світло, якщо відомо, що коливання неодмінно відбуваються по тому чи іншому еліпсу?
Візьмемо не зовсім монохроматичне світло, коли зсув фаз х- та y-коливань непостійний і електричний вектор коливається довільним чином; тоді поляризація світла буде весь час змінюватися. Згадаймо, що один атом випромінює світло за 10 -8 с, і, якщо всі атоми будуть випромінювати світло з різною поляризацією, поляризація повного пучка світла буде змінюватися через кожні 10-8 с. Коли поляризація світла змінюється настільки швидко, що її неможливо виміряти, говорять про неполяризоване світло, тому що всі ефекти поляризації усереднюються і зводяться до нуля. Жоден з інтерференційних ефектів при додаванні поляризацій не проявляється для неполяризованого світла. Водночас саме визначення неполяризованого світла передбачає, що експериментально неможливо встановити, поляризоване світло чи ні.
На фіг. 33.1 показано, як відбувається додавання коливань з різними амплітудами в напрямку х і у. Але приклади, наведені на цьому рисунку, не вичерпують усіх можливостей: досі передбачалося, що коливання вздовж осей х і у перебувають в одній фазі, але це зовсім не обов'язково. Може статися, що х- та y-коливання відбуваються з різними фазами.
У цьому останньому випадку вектор електричного поля описує еліпс, що можна проілюструвати на такому простому прикладі. Підвісимо на довгій мотузці м'яч, щоб він міг вільно коливатися в горизонтальній площині; коливання матимуть синусоїдний характер. Уявімо собі подумки осі х і у в горизонтальній площині коливань м'яча з початком координат у точці спокою м'яча. Вибираючи відповідне початкове зміщення і початкову швидкість м'яча, можна змусити м'яч коливатися по осі х, по осі у або в будь-якому іншому напрямку в площині ху з тією самою частотою, що дорівнює частоті маятника. Ці коливання м'яча аналогічні коливанням електричного вектора, наведеним на фіг. 33.1. У кожному випадку коливання в напрямках х і у досягають максимуму одночасно і, отже, обидва коливання перебувають у фазі. Але відомо, що найзагальніший тип руху м'яча — рух по еліпсу — виникає, коли коливання в напрямках х і у відбуваються з різними фазами.
На фіг. 33.2 показано додавання коливань по осях х і у для різних значень зсуву фаз між ними. У всіх прикладах електричний вектор описує еліпс. Коливання по прямій є теж окремим випадком еліптичного, коли зсув фаз дорівнює нулю (або цілому кратному π); за рівних амплітуд і зсуву фаз 90° (або непарного числа π/2) відбувається рух по колу.
На фіг. 33.2 компоненти електричного поля в напрямках х і у записані у вигляді комплексних чисел, що виявляється дуже зручним для явного виділення різниці фаз. У цих позначеннях не слід тільки плутати дійсну та уявну частини з x- та y-компонентами поля. Зображені на фіг. 33.2 компоненти поля по осях х і у є реальними фізичними полями, які можна виміряти. Дійсна та уявна частини вектора електричного поля введені лише для математичної зручності, і фізичного змісту такий поділ не має.
Зробимо кілька зауважень щодо термінології. Світло називається лінійно поляризованим (іноді плоско поляризованим), якщо електричне поле коливається по прямій лінії; на фіг. 33.1 показано випадок лінійної поляризації. Коли вектор електричного поля описує еліпс, говорять про еліптичну поляризацію. Якщо ж електричний вектор описує коло, ми маємо кругову поляризацію. Якщо електричний вектор під час свого руху у світловій хвилі обертається як правосторонній гвинт, говорять про праву кругову поляризацію. На фіг. 33.2, ж наведено приклад правої кругової поляризації, а на фіг. 33.2, в — приклад лівої кругової поляризації. В обох випадках світло рухається від площини сторінки до читача. Наше визначення лівої та правої кругових поляризацій узгоджується з подібними визначеннями для всіх інших частинок у сучасній фізиці, для яких можна ввести поняття поляризації (наприклад, для електронів). Однак у курсах оптики іноді використовуються прямо протилежні визначення, тому читачеві слід з обережністю ставитися до термінів ліва та права поляризація.
Ми описали лінійну, кругову та еліптичну поляризації світла і охопили, таким чином, усі можливі випадки стану світла, крім одного, — випадку неполяризованого світла. Ну, а як же може вийти неполяризоване світло, якщо відомо, що коливання неодмінно відбуваються по тому чи іншому еліпсу?
Візьмемо не зовсім монохроматичне світло, коли зсув фаз х- та y-коливань непостійний і електричний вектор коливається довільним чином; тоді поляризація світла буде весь час змінюватися. Згадаймо, що один атом випромінює світло за 10 -8 с, і, якщо всі атоми будуть випромінювати світло з різною поляризацією, поляризація повного пучка світла буде змінюватися через кожні 10-8 с. Коли поляризація світла змінюється настільки швидко, що її неможливо виміряти, говорять про неполяризоване світло, тому що всі ефекти поляризації усереднюються і зводяться до нуля. Жоден з інтерференційних ефектів при додаванні поляризацій не проявляється для неполяризованого світла. Водночас саме визначення неполяризованого світла передбачає, що експериментально неможливо встановити, поляризоване світло чи ні.