Навіть у тому випадку, коли первинний пучок світла падає на кристал нормально, заломлений пучок розділяється на два, причому один з них є продовженням первинного, а другою відхиляється. З часів Гюйгенса перший промінь отримав назву звичайного ( ), а другий -необыкновенного ( )(мал. 6).

Напрям в кристалі, по якому промінь світла розповсюджується не випробовуючи подвійного променезаломлення, називається оптичною віссю кристала. А площина, що проходить через напрям променя світла і оптичну вісь кристала, називається головною площиною (головним перетином) кристала. Аналіз поляризації світла показує, що на виході з кристала промені виявляються лінійно поляризованими у взаємно перпендикулярних площинах.

Роздвоєння світла в кристалі завжди відбувається в головній площині. Оскільки при обертанні кристала навколо падаючого променя головна площина повертається в просторі, то одночасно повертається і незвичайний промінь. Розглянемо деякі найбільш прості випадки розповсюдження світла в кристалі.

Мал. 7

1. Якщо промінь паралельний оптичній осі (мал. 7), те положення головної площини не визначене. Зокрема, площина малюнка є головною площиною, але такий же є, наприклад, і перпендикулярна нею площина. Умови розповсюдження променів з будь-якою поляризацією однакові, і вони не роздвоюються.

1. Якщо промінь йде перпендикулярно оптичній осі (мал. 7), то електричний вектор, лежачий в головній площині, паралельний осі. Електричний вектор, перпендикулярний осі, лежить при цьому в площині, нормальній до головної, так що умови розповсюдження для цих складових електричного поля світлової хвилі неоднакові: промені не роздвоюються, але мають різну швидкість розповсюдження.

1. Якщо промінь йде під довільним кутом до оптичної осі, то умови розповсюдження вказаних вище за складові також неоднакові: промені розповсюджуються по різних напрямах і з різними швидкостями (мал. 7).

Промінь, що має електричний вектор, перпендикулярний оптичній осі, у всіх цих випадках знаходиться в однакових умовах, так що закони його розповсюдження не повинні залежати від напряму розповсюдження; це і є звичайний промінь, що підкоряється звичайним законам заломлення.

Другий же, незвичайний промінь у всіх трьох випадках знаходиться в різних умовах (оптичні властивості кристала неізотропні), а тому і умови розповсюдження можуть ускладнюватися ( ).

5. Хвилеві поверхні

Неоднакове заломлення звичайного і незвичайного променів указує на відмінність для них показників заломлення. Очевидно, що при будь-якому напрямі звичайного променя коливання світлового вектора перпендикулярні оптичній осі кристала, тому звичайний промінь розповсюджується по всіх напрямах з однаковою швидкістю і, отже, показник заломлення для нього є величина постійна. Для незвичайного ж променя кут між напрямом коливань світлового вектора і оптичною віссю відмінний від прямого і залежить від напряму світивши, тому незвичайні промені розповсюджуються по різних напрямах з різними швидкостями. Отже, показник заломлення незвичайного променя є змінною величиною, залежною від напряму світла.

Таким образом, обыкновенные лучи распространяются в кристалле по всем направлениям с одинаковой скоростью , а необыкновенные- с разной скоростью (в зависимости от угла между вектором и оптической осью). Для луча, распространяющегося вдоль оптической оси, , , т.е. вдоль оптической оси существует только одна скорость распространения света. Различие в и для всех направлений, кроме направления оптической оси, и обуславливает явление двойного лучепреломления в одноосных кристаллах..

Допустимо, що в крапці усередині одноосного кристала знаходиться точкове джерело світла.

На рис. 8 показано распространение обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле (главная плоскость совпадает с плоскостью чертежа, -направление оптической оси). Волновой поверхностью обыкновенного луча (от распространяется с ) является сфера, необыкновенного луча ( )-эллипсоид вращения. Наибольшее расхождение волновых поверхностей обыкновенного и необыкновенного лучей наблюдается в направлении, перпендикулярном оптической оси. Эллипсоид и сфера касаются друг друга в точках их пересечения с оптической осью . Если ( ), то эллипсоид необыкновенного луча вписан в сферу обыкновенного луча (эллипсоид скоростей вытянут относительно оптической оси) и одноосный кристалл называется положительным (рис. 8,а). Если ( ), то эллипсоид описан вокруг сферы (эллипсоид скоростей растянут в направлении, перпендикулярном оптической оси) и одноосный кристалл называется отрицательным (рис. 8,б).

6. Побудова Гюйгенса

Великою заслугою Гюйгенса є створення стрункої теорії проходження світлової хвилі через кристал, що пояснює виникнення подвійного променезаломлення. Застосований ним метод простий і наочний, а як спосіб визначення напряму звичайного і незвичайного променів зберіг своє значення і до цього дня.

У основі пояснення подвійного променезаломлення лежить принцип Гюйгенса, в якому постулируется, що кожна крапка, до якої доходить світлове збудження, може розглядатися як центр відповідних вторинних хвиль. Для визначення хвилевого фронту хвилі, що розповсюджується, в подальші моменти часу слід побудувати що огинає цих вторинних хвиль.

Як приклад побудови звичайного і незвичайного променів розглянемо заломлення плоскої хвилі на межі анізотропного середовища, наприклад позитивного (мал. 9). Оптична вісь позитивного кристала лежить в площині падіння під кутом до заломлюючої грані кристала. Паралельний пучок світла падає під кутом до поверхні кристала.

Мал. 9

За время, в течение которого правый край фронта достигает точки на поверхности кристалла, вокруг каждой из точек на поверхности кристалла между и возникают две волновые поверхности - сферическая и эллипсоидальная. Эти две поверхности соприкасаются друг с другом вдоль оптической оси. Из-за положительности кристалла эллипсоид будет вписан в сферу. Для нахождения фронтов обыкновенной и необыкновенной волн проводим касательные и соответственно к сфере и эллипсоиду. Линии, соединяющие точку с точками касания сферической и эллипсоидальной поверхностей с касательными и , дают соответственно необыкновенный и обыкновенный лучи. Так как главное сечение кристалла в данном случае совпадает с плоскостью рисунка, то электрический вектор колеблется перпендикулярно этой плоскости, а электрический вектор необыкновенного луча колеблется в плоскости рисунка.

З побудови можна зробити очевидні висновки:

1. У кристалі відбувається подвійне променезаломлення. Побудови Гюйгенса дозволяє визначити напрями розповсюдження звичайного і незвичайного променів.

1. Напрям незвичайного променя і напрям нормалі до відповідного хвилевого фронту не співпадають.

7. Пластинки і

Розглянемо дві когерентні плоско поляризовані хвилі світлові хвилі, площини коливань яких взаємно перпендикулярні. Хай коливання в одній хвилі здійснюються уздовж осі у второй- уздовж осі (мал. 10).

мал. 10

Проекції світлових векторів цих хвиль на відповідні осі змінюються згідно із законом:

(2)

Як відомо, два взаємно перпендикулярних гармонійних коливання однакової частоти при складанні дають в загальному випадку рух по еліпсу. Аналогічно, крапка з координатами (2) рухається по еліпсу. Отже, дві когерентні плоско поляризовані хвилі, площини коливань яких взаємно перпендикулярні, при накладенні один на одного дають хвилю, в якій вектор змінюється з часом так, що кінець його описує еліпс. Таке світло називається еліптично поляризованим. При різниці фаз кратною еліпс вироджується в пряму, і виходить плоско поляризоване світло. При різниці фаз, рівній і рівності амплітуд хвиль, що складаються, еліпс перетворюється на коло.

Розглянемо, що виходить при накладенні тих, що вийшли з кристалічної пластинки звичайного і незвичайного променів. При нормальному падінні світла на паралельну оптичній осі грань кристала (мал. 11) звичайний і незвичайний промені розповсюджуються не розділяючись, але з різною швидкістю. У зв'язку з цим між ними виникає різниця ходу або різниця фаз :

де -шлях, пройдений променями в кристалі -довжина хвилі у вакуумі.

Мал. 11

Таким чином, якщо пропустити природне світло через вирізану паралельно оптичній осі кристалічну пластинку товщини (мал. 11,а)з пластинки вийдуть два поляризованих у взаємно перпендикулярних площинах світивши і між коливаннями яких існуватиме різниця фаз (мал. 11,б).

Вирізана паралельно оптичній осі пластинка, для якої

називається пластинкою в чверть хвилі; пластинка, для якої

називається пластинкою в півхвилі.

Розглянемо плоско поляризоване світло через пластинку в чверть хвилі. Якщо розташувати пластинку так, щоб кут між площиною коливань в падаючому промені і віссю пластинки дорівнював амплітуди обох променів, що вийшли з пластинки, будуть однакові. Зрушення фаз між коливаннями в цих променях складе . Отже, світло, що вийшло з пластинки, буде поляризовано по кругу. При іншому значенні кута амплітуди променів, що вийшли з пластинки, будуть неоднакові. Тому при накладенні ці промені утворюють світло, поляризоване по еліпсу. При ,равном нулю або у пластинці розповсюджуватиметься тільки один промінь (незвичайний або звичайний), так що світло на виході з пластинки залишиться плоско поляризованим.

Експериментальна частина

1. Установка

Установка складається з клістронного генератора, випромінюючого плоско поляризовану електромагнітну хвилю з і приймального рупора з високочастотним детектором, підсилювача низькочастотних коливань і осцилографа. Приймальний рупор може обертатися навколо своєї подовжньої осі з точністю коливання модулюються низькочастотним сигналом з .