Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
36
(который можно спутать со случаем частичной линейной поляризации) приведен в гл. 3.
При общем изучении явления поляризации необходимо объяснить, как возникает характеризующейся осевой симметрией обычный неполяризованный свет. Решением уравнений Максвелла служит строго монохроматическая волна, и потому она обязательно должна быть поляризована (в общем случае эллиптически). Лишь обрыв колебаний (нарушение монохроматичности волны) приводит к исчезновению данной поляризации излучения. Именно так обстоит дело в оптике, где в среднем через каждые 10'8 с происходит затухание колебаний. Если бы поляризацию исследовали безынерционной аппаратурой, то можно было бы обнаружить смену различных эллипсов через столь малые промежутки времени. Но создать такую аппаратуру трудно, любое приспособление, пригодное для исследования поляризации, неизбежно инерционно, и, наблюдая естественный свет, мы усредняем изменение его поляризации за промежуток времени, значительно превышающий 10~8 с. Так и возникает осевая симметрия колебаний вектора Е (неполяризованный свет), которая и наблюдается на опыте.
Применяя какое-либо поляризационное устройство, можно выделить из неполяризованного света колебания вполне определенного направления и затем оперировать с таким линейно поляризованным излучением. Из §1.1 следует, что можно рассматривать неполяризованный свет как сумму двух взаимно перпендикулярных линейно поляризованных колебаний, у которых сдвиг фаз 5 за время наблюдения хаотически меняется. Эллиптическая поляризация излучения возникает в тех случаях, когда этот сдвиг фаз 5 искусственно можно сделать постоянным во времени. При 5=0 эллиптическая поляризация вырождается в линейную. В § 5.2 мы вернемся к рассмотрению этих явлений, которые могут быть хорошо проиллюстрированы на опыте.
В заключение стоит указать, что и по поляризации излучение лазера отличается от излучения обычных источников света. Физика процессов в лазере связана не со случайным началом колебаний (спонтанное излучение), а с некоторыми более сложными явлениями, обусловленными взаимодействием электромагнитного излучения и атомных систем. Такое вынужденное излучение (это понятие было введено Эйнштейном еще в 1916 г.; см. гл. 8) должно характеризоваться вполне определенной поляризацией. При работе со специально изготовленными лазерами, у которых окна разрядной трубки перпендикулярны ее оси, можно наблюдать, как через определенное время At один вид эллиптической поляризации переходит в другой. Но обычно окна разрядной трубки, находящейся внутри резонатора, располагают под некоторым углом к ее оптической оси (угол Брюстера), что (см. гл. 2)
37
неизбежно приводит к линейной поляризации излучения, выходящего через любое из зеркал резонатора. Следовательно, лазер является интенсивным источником линейно поляризованного света (см. рис. 1.7).
Итак, для создания в эксперименте плоской монохроматической волны нужно использовать коллиматор, монохроматор и поляризатор. Излучение произвольного источника света, пропущенное через систему, содержащую все эти устройства, в какой-то степени соответствует идеальной волне [см. (1.24)] . Излучение лазера в еще большей степени соответствует принятой идеализации .
Из предыдущего изложения следует, что в оптике обычно имеют дело с волнами, которые лишь в известной степени могут считаться монохроматическими, так как излучение происходит не только на частоте v, а сосредоточено в некоторой области частот вблизи v, что описывается неравенством 5v « v. Основные свойства таких квазимонохроматических волн подробно рассмотрены ниже (см. §1.6), а сейчас ограничимся указанием, что для описания таких волн используется запись вида Е = Ео(t) cos [cot — ф(*)] •
В этом соотношении амплитуда Eo(t) и фаза ср(?) не постоянны, а относительно медленно (по сравнению с основными колебаниями на несущей частоте со) изменяются во времени. Другими словами, квазимонохроматическая волна имеет модулированную амплитуду и фазу. При описании некоторых оптических явлений можно пренебречь изменением Eo(t) и cp(t) и исследовать распространение монохроматической волны, т. е. считать Eq и ф постоянными. В других случаях необходимо допустить, что Eo(t) и ф(?) остаются постоянными лишь в течение известного промежутка времени т, длительность которого определяется физическими процессами в источнике света.
Понятие квазимонохроматической волны очень важно при исследовании интерференции и дифракции световых волн.
§ 1.3. ЭНЕРГИЯ, ПЕРЕНОСИМАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНОЙ
Рассмотрим вопрос об энергии, переносимой электромагнитной волной, распространяющейся в изотропной среде. Что же происходит с этой важнейшей характеристикой поля, распространяющегося в виде волны со скоростью и = с/п?
Запишем выражение для мощности, рассеиваемой в объеме V, которая равна работе сил электрического поля в единицу времени:
v
38
Напомним, что
отсюда
rot Н = ^ZL (j + X Ж) . с An at
j = -f rot H - J- -Щг, Ej = -f E rot H — -f- E .
* А n An dt * An An dt
Преобразуем произведение E rot H, используя известную фор-
