Поляризация при отражении и преломлении

Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков не равен нулю, то отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными (рис. 2.18.6). В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения (обозначены на
рис. 2.18.6 точками), в преломленном луче - колебания, параллельные плоскости падения (на рис. 2.18.6 обозначены стрелками).

Степень поляризации отраженного и преломленного лучей зависит от угла падения. При угле падения, удовлетворяющем условию

(2.18.3)

отраженный луч полностью поляризован (содержит только колебания перпендикулярные к плоскости падения), а степень поляризации преломленного луча достигает наибольшего значения.

Соотношение (2.18.3) называется законом Брюстера. Угол a _Б - называют углом Брюстера, или углом полной поляризации. При падении света под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Действительно, из (2.18.3) и закона преломления (2.9.2) следует:

(2.18.4)

откуда и, следовательно, (рис.2.18.6). Степень поляризации отраженного и преломленного лучей при различных углах падения рассчитывается из решения уравнений Максвелла с учетом условий на границе раздела диэлектриков для составляющих векторов

Поляризация при двойном лучепреломлении. Поляроиды

При прохождении света через некоторые кристаллы световой луч разделяется на два луча. Это явление было открыто в 1670 году Эразмом Бартоломином для исландского шпата и получило название двойного лучепреломления. При двойном лучепреломлении один из лучей удовлетворяет обычному закону преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью. Этот луч называется обыкновенным и обозначается буквой O. Для другого луча, называемого необыкновенным (его обозначают буквой e), отношение не остается постоянным при изменении угла падения. Даже при нормальном падении необыкновенный луч отклоняется от первоначального направления (рис.2.18.7).

Как правило, необыкновенный луч не лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности.

Явление двойного лучепреломления наблюдается для всех прозрачных кристаллов, за исключением принадлежащих к кубической системе. У так называемых одноосновных кристаллов имеется направление, вдоль которого свет распространяется, не разделяясь на два луча. Это направление называется оптической осью кристалла. Любая прямая, параллельная данному направлению, также является оптической осью кристалла. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла. В обыкновенном луче плоскость колебаний вектора перпендикулярна главному сечению кристалла, а в необыкновенном плоскость колебаний совпадает с главным сечением кристалла.

В некоторых кристаллах один из лучей поглощается сильнее другого. Это явление называется дихроизмом. Сильным дихроизмом для видимого света обладает турмалин. В нем обыкновенный луч практически полностью поглощается на длине 1 мм. Таким же свойством обладает поляроид – целлулоидная пленка, в которую введено большое количество одинакoво ориентированных кристаллов сульфата йодистого хинина. Следовательно, поляроид может быть использован в качестве поляризатора.

Кроме поляроида, большое распространение получил поляризатор, называемый призмой Николя (или сокращенно николь). Николь представляет собой призму из исландского шпата, разрезанную по диагональной плоскости и склеенную канадским бальзамом (рис. 2.18.8).

Показатель преломления канадского бальзама n, имеет величину между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле (n_o > n > n_e). Угол падения для обыкновенного луча оказывается таким, что он претерпевает на прослойке бальзама полное внутреннее отражение и выходит из призмы.

 

 

Искусственное двойное лучепреломление.

Эффект Керра

Двойное лучепреломление может возникать в прозрачных изотропных телах, а также в кристаллах кубической системы под влиянием различных воздействий. В частности, это происходит при механических деформациях тел. Мерой возникающей оптической анизотропии может служить разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Опытным путем установлено, что эта разность пропорциональна напряжению s в данной точке тела:

n_o – n_e = ks, (2.18.5)

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества.

Поместим стеклянную пластинку Q между скрещенными поляризаторами P и P'
(рис. 2.18.9).

Пока стекло не деформировано, такая система не пропускает свет. Если стекло подвергнуть одностороннему сжатию, то в прошедших лучах будет наблюдаться картина, содержащая цветные полосы. Каждая полоса соответствует одинаково деформированным местам пластинки. Следовательно, по характеру и расположению полос можно судить о распределении напряжений внутри пластинки.

В 1875 году Керр обнаружил, что в жидкостях (и в аморфных твердых телах) под воздействием электрического поля возникает двойное лучепреломление. Это явление получило название эффекта Керра. На рис. 2.18.10 представлена схема установки для наблюдения эффекта Керра в жидкостях.

Ячейка Керра представляет собой герметичную кювету с жидкостью, в которую помещены пластины конденсатора. При подаче напряжения между пластинами создается однородное электрическое поле. Под действием электрического поля жидкость приобретает свойства одноосного кристалла с оптической осью, ориентированной вдоль поля. Разность показателей преломления n_o и п_е пропорциональна квадрату напряженности поля:

n_o – n_e= кE². (2.18.6)

На пути l между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает разность хода:

D=(n_o – n_e)l=кlE²,

или разность фаз

Последнее выражение принято записывать в виде

d =2pBlE², (2.18.7)

где В - характерная для вещества величина, называемая постоянной Керра, зависящая от температуры и длины волны света l_о.

Эффект Керра объясняется оптической анизотропией молекул жидкости, то есть различной поляризуемостью молекул по разным направлениям. Под действием поля молекулы поворачиваются так, что их дипольные моменты ориентируются вдоль поля.

В результате жидкость становится анизотропной. Время в течение которого устанавливается или исчезает преимущественная ориентация молекул, составляет около 10^-10 с. Таким образом, ячейка Керра, помещенная между скрещенными поляризаторами (рис. 2.18.10 ), может служить практически безинерционным световым затвором. В отсутствии напряжения затвор будет закрыт. При включении напряжения затвор пропускает значительную часть света, падающего на первый поляризатор. Такое устройство может быть использовано в оптических линиях связи для передачи информации, в частности, для осуществления амплитудной модуляции оптического излучения на очень высоких (до 10¹⁰ Гц) частотах.