А.Е. Тарасов - Конспект по спецразделам физики для РТФ, страница 9

Способы получения линейно – поляризованного светаРассмотрим способы получения линейно – поляризованного света, используемые приизготовлении поляризаторов и анализаторов.Свет поляризуется при отражении от границы двух сред и при прохожденииграницы – при преломлении.Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков (например воздух –стекло) отличен от нуля, то отраженный и преломленный свет оказывается частичнополяризованным. (При отражении света от проводящей поверхности свет получаетсяэллиптически поляризованным).В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, ав преломленном луче – колебания параллельные плоскости падения (рис. 3.1.44, а).абРис. 3.1.44Степень поляризации зависит от угла падения.Если луч падает на границу двух сред под углом α, удовлетворяющим условию, где– показатель преломления второй среды относительно первой, тоотраженный луч оказывается полностью поляризованным.

Преломленный луч –поляризован частично (рис. 3.1.44, б)., называется углом Брюстера. ПриУгол α, удовлетворяющий условиюугол между отраженным и преломленным лучами равен π/2.При отражении естественного света от диэлектрика (диэлектрического зеркала)используется формула Френеля для расчета степени поляризации:(3.1.28),54гдеи– интенсивности света по осям x и y.Таким образом, пластинка прозрачного диэлектрика сортирует лучи естественногосвета, отражая лучи с одним направлением колебаний и преломляя с другим.55ЛЕКЦИЯ 63.1.17. Двойное преломление светаВ 1669 г. датский ученый Эразм Бартолин опубликовал работу, в которой сообщил оботкрытии нового физического явления – двойного преломления света. Рассматриваяпреломление света в кристалле исландского шпата (), Бартолин обнаружил, чтолуч внутри кристалла расщепляется на два луча (рис.

3.1.45). Если кристалл поворачиватьотносительно направления первоначального луча, то поворачиваются оба луча,прошедшие через кристалл. Один из лучей вел себя согласно известному законупреломления света, а второй совершенно необычно. Поэтому Бартолин первый луч назвалобыкновенным, а второй необыкновенным.Рис. 3.1.45. Двойное преломление света в исландском шпатеКроме того, Бартолин обнаружил, что луч света, падая в определенном направлении вкристалле исландского шпата, не раздваивается.Объяснение этому явлению дал современник Бартолина - голландский ученыйХристиан Гюйгенс.

Он показал, что необычное поведение луча света, проходящего черезисландский шпат, связано с анизотропией кристалла. Направление, вдоль которогопадающий луч не раздваивается, Гюйгенс назвал оптической осью, и кристаллы,имеющие одну оптическую ось, – одноосными кристаллами (исландский шпат,турмалин). Оптические свойства одноосного кристалла одинаковы вдоль всехнаправлений, образующих один и тот же угол с оптической осью. Любая плоскость,проходящая через оптическую ось, называется главным сечением кристалла.Существуют кристаллы, у которых имеются две оптические оси.

Такие кристаллыназывают двухосными (гипс, слюда).В своей книге «Трактат о свете», изданной в Лейдене в 1690 г., Гюйгенс подробнообъяснил явление двойного преломления света. Благодаря своим исследованиям Гюйгенсподошел к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать несмог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными.Рассмотрим подробнее явление двойного лучепреломления. Оно заключается в том,что луч внутри кристалла расщепляется на два луча. Один из них подчиняется известномузакону преломления Снеллиуса:, этот луч о обыкновенный, а другой неподчиняется – необыкновенный луч е. Выглядит это так, как показано на рис.

3.1.46, а.56абРис. 3.1.46. Явление двойного лучепреломленияИсследования показали, что обыкновенный и необыкновенный лучи являютсяполностью поляризованными во взаимно перпендикулярных направлениях.Плоскость колебаний обыкновенного луча перпендикулярна главному сечению, анеобыкновенного луча – совпадает с главным сечением. На выходе из кристалла обалуча распространяются в одинаковом направлениииразличаютсялишьнаправлением поляризации (рис.

3.1.46, б).Явление двойного лучепреломления используется для получения поляризованногосвета.В некоторых кристаллах один из лучей поглощается сильнее другого (дихроизм).Очень сильным дихроизмом в видимом свете обладает кристалл турмалина (прозрачноекристаллическое вещество зеленоватой окраски). В нем обыкновенный луч практическиполностью поглощается на длине 1 мм, а необыкновенный луч выходит из кристалла. Вкристалле сульфата йодистого хинина один из лучей поглощается на длине 0,1 мм.

Этоявление используется для создания поляроидов. На выходе поляроида получается одинполяризованный луч.Часто в качестве поляризатора используется так называемая призма Николя. Этопризма из исландского шпата, разрезанная по диагонали и склеенная канадскимбальзамом (рис. 3.1.47).Рис. 3.1.47.

Призма НиколяПоказатель преломления канадского бальзама лежит между значениями показателейидля обыкновенного и необыкновенного лучей в исландском шпате ().За счет этого обыкновенный луч претерпевает на прослойке бальзама полное внутреннее57отражение и отклоняется в сторону. Необыкновенный луч свободно проходит через этупрослойку и выходит из призмы.Двойное лучепреломление объясняется анизотропией кристаллов. В таких кристаллахдиэлектрическая проницаемость ε зависит от направления. В одноосных кристаллахдиэлектрическая проницаемость в направлении оптической осии в направленияхперпендикулярных к нейимеет разные значения.Поскольку, а в диэлектриках μ = 1, то. Следовательно, изанизотропии ε вытекает, что электромагнитные волны разных направлений колебанийвектора E имеют разный показатель преломления, и следовательно разную скоростьраспространения.Скоростьраспространенияобыкновенноголучаа,необыкновенного,причемнеобыкновенныйлучраспространяетсяперпендикулярно оптической оси кристалла.

В соответствии с этим одноосные кристаллыхарактеризуются показателем преломления обыкновенного лучапреломления необыкновенного лучаилии показателем. В зависимости от того, какая из скоростейбольше, различают положительные и отрицательные одноосные кристаллы.При условии, когда– кристалл положительный,– отрицательный.3.1.18. Закон МалюсаВ 1809 г. французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный впоследствии егоименем.

В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковыепластинки из турмалина.Пластинки могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ (рис. 3.1.48).Рис. 3.1.48. Опыты МалюсаИнтенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной:.:58Ни двойное лучепреломление, ни закон Малюса не нашли объяснения в рамках теориипродольных волн. Для продольных волн направление распространения луча является осьюсимметрии. В продольной волне все направления в плоскости, перпендикулярной лучу,равноправны.

В поперечной волне (например в волне, бегущей по резиновому жгуту)направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны (рис.3.1.49).Рис. 3.1.49. Поперечная волнаИз рисунка видно, что поворот щели S вызовет затухание волны.С помощью разложения вектора E на составляющие по осям можно объяснить законМалюса (рис. 3.1.48).В каждый момент времени вектор E может быть спроектирован на две взаимноперпендикулярные оси (рис. 3.1.50).Рис. 3.1.50Рассмотрим прохождение естественного света последовательно через два идеальныхполяроида Р и А (рис.

3.1.48), разрешенные направления которых развернуты нанекоторый угол φ. Первый поляроид играет роль поляризатора. Он превращаетестественный свет в линейно-поляризованный. Второй поляроид служит для анализападающего на него света. Здесь также используется явление дихроизма.Световую волну с амплитудойразложим на две составляющие.,– пройдет через поляризатор, а,– не пройдет.59Найдем интенсивность проходящего света. Т.к., тои,отсюда получим закон Малюса:(3.1.29).В естественном свете все значения φ равновероятны и среднее значение. Поэтому интенсивность естественного света, прошедшего одинполяризатор уменьшается в два раза.Поставим на пути естественного света два поляризатора, плоскости которых образуютугол φ. Из первого поляризатора выйдет луч интенсивностью.

Согласно законуМалюса интенсивность света, прошедшего второй поляризатор,.(3.1.30)Это без учета поглощения света в кристалле.при φ = 0.При φ = π/2– скрещенные поляризаторы свет не пропускают.Таким образом, в электромагнитной теории света закон Малюса находит естественноеобъяснение на основе разложения вектора E на составляющие.3.1.19. Интерференция поляризованного светаЯвления интерференции поляризованных лучей исследовались в классических опытахФренеля и Арго (1816 г.), доказавших поперечность световых колебаний. Суть их взависимости результата интерференции от угла между плоскостями световых колебаний:полосы наиболее контрастны при параллельных плоскостях и исчезают, если волныполяризованы ортогонально. Трудность получения интерференции поляризованных волнсостоит в том, что при наложении двух когерентных лучей, поляризованных во взаимноперпендикулярных направлениях, никакой интерференционной картины с максимумами иминимумами интенсивности получиться не может.

Интерференция возникает только в томслучае, если колебания во взаимодействующих лучах совершаются вдоль одного и тогоже направления. Колебания в двух лучах, первоначально поляризованных во взаимноперпендикулярных направлениях, можно свести в одну плоскость, пропустив эти лучичерез поляризующую кристаллическую пластинку.Рассмотрим схему получения интерференции поляризованных лучей (рис. 3.1.51).60Рис. 3.1.51.