Поляризация света, закон малюса. Явление двойного лучепреломления, дихроизм. Использование явления двойного лучепреломления для получения поляризованного света.

Поляризацией света называется выделение плоскополяризованного света из естественного или частично поляризованного. Для этой цели используются специальные устройства, называемые поляроидами.
Плоскополяризованный свет можно получить из неполяризованного с помощью некоторых кристаллов, например турмалина, или поляроидных пленок. Пленки состоят из имеющих сложное строение длинных молекул с выстроенными параллельными осями, действуют как набор параллельных щелей, почти беспрепятственно (без потерь) пропуская свет одной поляризации и почти полностью поглощая свет, поляризованный в перпендикулярной плоскости. Направление, в котором отсутствует поглощение энергии электромагнитного поля волны, называется осью поляроида. Через идеальный поляризатор без ослабления проходят только такие колебания, у которых вектор напряженности электрического поля параллелен его оси (см. рисунок 6.5.1). Естественный свет с амплитудой вектора (колебания происходят в разных направлениях) после поляризатора меняет направление на , параллельное оси поляризатора. Интенсивность света . Интенсивность естественного света прошедшего анализатор равна половине интенсивности падающей волны .
Устройство, с помощью которого можно определить поляризован свет или нет, и в какой плоскости поляризован, называется анализатором.
В качестве анализатора используются поляризаторы. В экспериментальных оптических установках анализаторами служат поляроиды, стоящие на оптической скамье после первоначального поляризатора.

 

Рисунок 6.5.1. – Прохождение естественного света через поляроид

Закон Малюса.
Интенсивность света на выходе анализатора прямо пропорциональна интенсивности плоскополяризованного света на его входе и квадрату косинуса угла между световым вектором падающей волны и осью поляризатора (или между световым вектором падающей волны и световым вектором прошедшей через анализатор волны) (рисунок 6.5.2)

Рисунок 6.5.2. – Прохождение поляризованного света через анализатор

Двойное лучепреломление

Двойное лучепреломление - это явление расщепления пучка света в анизотропной среде на два слагающих, распространяющихся с разными скоростями и поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Двойное лучепреломление впервые обнаружено и описано профессором Копенгагенского университета Э. Бартолином в 1669 г. в кристалле исландского шпата. Если световой пучок падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то он распадается на два пучка, один из которых продолжает путь без преломления, как и в изотропной среде, другой же отклоняется в сторону, нарушая обычный закон преломления света (рисунок 1.6). Соответственно этому лучи первого пучка называются обыкновенными, второго - необыкновенными. Угол, образуемый обыкновенным и необыкновенным лучами, называется углом двойного лучепреломления. Если в случае перпендикулярного падения пучка поворачивать кристалл вокруг пучка, то след обыкновенного луча остаётся на месте, в центре, а след необыкновенного луча вращается по кругу. Двойное лучепреломление можно наблюдать и при наклонном падении пучка света на поверхность кристалла. В исландском шпате и некоторых др. кристаллах существует только одно направление, вдоль которого не происходит двойное лучепреломление. Оно называется оптической осью кристалла, а такие кристаллы - одноосными.

 

Рисунок 1.6 - Двойное лучепреломление в одноосном кристалле

при перпендикулярном падении пучка света на переднюю грань кристалла
Направление колебаний электрического вектора у необыкновенного луча лежит в плоскости главного сечения (проходящей через оптическую ось и световой луч), которая является плоскостью поляризации. Нарушение законов преломления в необыкновенном луче связано с тем, что скорость распространения необыкновенной волны, а, следовательно, и её показатель преломления nе зависят от направления. Для обыкновенной волны, поляризованной в плоскости, перпендикулярной главному сечению, показатель преломления nо одинаков для всех направлений. Если из точки О (рисунок 1.6) откладывать векторы, длины которых равны значениям nе и nо в различных направлениях, то геометрические места концов этих векторов образуют сферу для обыкновенной волны и эллипсоид для необыкновенной (поверхности показателей преломления).

В прозрачных кристаллах интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей практически одинаковы, если падающий свет был естественным. Выделив диафрагмой один из лучей, получившихся при двойном лучепреломлении, и пропустив его через второй кристалл, можно снова получить двойное лучепреломление. Однако интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей в этом случае будут различны, т. к. падающий луч поляризован. Отношение интенсивностей зависит от взаимной ориентации кристаллов - от угла a, образуемого плоскостями главных сечений того и другого кристалла (плоскости, проходящие через оптическую ось и световой луч). Если j=0° или 180°, то остаётся только обыкновенный луч. При a=90°, наоборот, остаётся только луч необыкновенный. При a=45° интенсивность обоих лучей одинакова. В общем случае кристалл может иметь две оптических оси, т. е. два направления, вдоль которых двойное лучепреломление отсутствует. В двуосных кристаллах оба луча, появляющиеся при двойном лучепреломлении, ведут себя, как необыкновенные.

 

Вопрос 18

Искусственная оптическая анизотропия (фотоупругость, эффект Керра, эффект Коттона -Мутона).

Оптическая анизотропия. Двойное лучепреломление В том случае, если скорость света в каждой точке среды не зависит ни от направления распространения волны, ни от характера поляризации, среда будет оптически изотропной. Оптическая анизотропия кристалла может быть обусловлена как электрической анизотропией образующих его частиц, так и анизотропией поля сил взаимодействия между ними. Характер этого поля, т.е. его изотропность или анизотропность, зависит от степени симметрии решетки кристалла. Только кристаллы кубической системы (например, каменная соль NaCl), обладающие весьма высокой степенью симметрии решетки, являются оптически изотропными. Все остальные кристаллы, независимо от электрических свойств образующих их частиц, оптически анизотропны. При распространении света в анизотропных средах наблюдается явление, получившее название двойного лучепреломления. Это явление заключается в том, что упавший на кристалл луч разделяется внутри кристалла на два луча (обыкновенный и необыкновенный), которые распространяются с разными скоростями и в различных направлениях. Двойное лучепреломление возникает в том случае, если неполяризованный свет падает под некоторым углом к оптической оси кристалла (рисунок 6.5.3). Оптическая ось кристалла задает направление, вдоль которого не происходит двойное лучепреломление в анизотропном кристалле. Рисунок 6.5.3. – Двойное лучепреломление. Сечение плоскостью падения луча. Обыкновенным лучом называется луч (о), подчиняющийся закону преломления света, поэтому при нормальном падении света на кристалл он в кристалле пройдет, не отклоняясь; Необыкновенным лучом называется луч (е), не подчиняющийся закону преломления света, поэтому при нормальном падении света на кристалл он преломляется в кристалле, отклоняясь на некоторый угол (рисунок 6.5.3). Обыкновенный и необыкновенный лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Колебания вектора в обыкновенном луче перпендикулярны плоскости падения луча и оптической оси, они изображены точками на рисунке 6.5.3. Колебания вектора необыкновенного луча параллельны оптической оси (стрелки на рисунке 6.5.3). Показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей различны, поэтому и скорости распространения света соответственно не равны: и . При прохождении обоими лучами одного и того же расстояния d в кристалле между ними возникает оптическая разность хода и возникает разность фаз: , где – показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, – толщина кристалла.

Искусственная анизотропия

Фотоупругость – явление, когда под влиянием механической деформации среда, бывшая оптически изотропной становится оптически анизотропной и при прохождении света наблюдается двойное лучепреломление. Разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси, пропорциональна нормальному напряжению : , где – коэффициент, зависящий от свойств вещества. При прохождении обыкновенным и необыкновенным лучами одного и того же расстояния, толщины пластинки d, между ними возникает оптическая разность хода , а значит и разность фаз:

Эффект Керра. Возникновение двойного лучепреломления в изотропных жидкостях и в изотропных аморфных твердых телах под воздействием электрического поля называется эффектом Керра. Для этого кювету с жидкостью помещают в электрическое поле конденсатора. Разность показателей преломления поляризованной жидкости для необыкновенного и обыкновенного лучей монохроматического света в направлении, перпендикулярном вектору напряженности внешнего электрического поля , пропорциональна квадрату амплитуды внешнего поля Е2вн: , где λ – длина волны света в вакууме, В – константа Керра. Между необыкновенным и обыкновенным лучами при прохождении расстояния, равное длине кюветы возникает сдвиг фаз: , где d – длина ячейки с изотропной жидкостью, равная длине пластин конденсатора, в который помещена ячейка, U = Евн·а – напряжение, подаваемое на конденсатор, а – расстояние между пластинами конденсатора.

Эффект Коттона – Мутона. Явление возникновения оптической анизотропии у изотропного вещества под влиянием сильного внешнего магнитного поля получило название эффекта Коттона – Мутона. Разность показателей преломления вещества для необыкновенного и обыкновенного лучей, распространяющихся перпендикулярно направлению оптической оси (направление главной оптической оси задается направлением вектора магнитной индукции внешнего однородного магнитного поля) определяется соотношением: , где С – постоянная Коттона – Мутона, зависящая от природы вещества, длина волны света падающего света λ и температуры. Между необыкновенным и обыкновенным лучами возникает сдвиг по фазе: , где d – длина образца исследуемого вещества.

 

Вопрос 19