Ответы (1115942), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

19. Прохождение светового луча через анизотропное одноосное вещество. Главная оптическая ось. Обыкновенный и необыкновенный лучи. Волновые поверхности для обыкновенных и необыкновенных волн в анизотропном веществе. Получение и анализ эллиптически и циркулярно поляризованного света. Левая и правая поляризации. Кристаллические пластинки /2 и /4.

1) Двойное лучепреломление:

Многие кристаллы обладают свойством оптической анизотропии, то есть по-разному пропускают свет вдоль разных направлений. Причиной этого эффекта является различие периодов решётки кристалла вдоль разных осей. Рассмотрим только так называемые одноосные кристаллы, в которых имеется одно выделенное направление, а все направления, перпендикулярные к выделенному, эквивалентны. Выделенное направление называется оптической осью кристалла. Поляризация одноосного кристалла будет происходить по-разному вдоль разных направлений, поэтому диэлектрическая проницаемость (и, значит, показатель преломления) будет зависеть от направления. Показатель преломления вдоль оптической оси (Z) обозначается как n_e, а в перпендикулярных направлениях – n_o. Пространственная зависимость показателя преломления кристалла от направления колебаний Е имеет вид эллипсоида вращения с полуосями n_e и n_o. Если то кристалл называется отрицательным; если – положительным.

Главная оптическая плоскость – плоскость, проходящая через ось кристалла и луч падающего света. Пусть на кристалл падает плоскополяризованный свет; тогда если плоскость поляризации перпендикулярна к главной оптической плоскости, то луч будет преломляться с показателем n_o. Такой луч называют обыкновенным. Если же плоскость поляризации параллельна главной оптической плоскости, то луч называют необыкновенным. Показатель преломления для этого луча зависит от направления распространения – при распространении вдоль оптической оси кристалла – n_o; при распространении в перпендикулярном направлении – n_e. При произвольной ориентации плоскости поляризации падающего луча в кристалле будут возбуждены колебания как в главной оптической плоскости, так и перпендикулярно к ней. В результате падающий луч разделится на обыкновенный и необыкновенный лучи, поляризованные во взаимно перпендикулярных направлениях. Тот же эффект можно наблюдать при падении на кристалл естественного света (за исключением случая падения вдоль оптической оси – здесь не происходит разделение луча на обыкновенный и необыкновенный). Эффект разделения луча при попадании на оптически анизотропный кристалл называют двойным лучепреломлением.

Обыкновенный луч одинаково распространяется во всех трёх направлениях, поэтому е го волновые поверхности имеют сферическую форму. Необыкновенный луч распространяется в одном из направлений медленнее (для положительных) или быстрее (для отрицательных кристаллов), поэтому волновые поверхности имеют форму эллипсоидов вращения (на рисунке представлены волновые поверхности для положительного кристалла; Z – оптическая ось).

Для определения хода обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле воспользуемся принципом Гюйгенса (см. 14.1): луч нормально падает на поверхность кристалла, а оптическая ось проходит под углом к этой нормали. Волновые поверхности обыкновенного луча – сферы, поэтому он проходит, не преломляясь. Волновые поверхности необыкновенного луча – эллипсоиды, вытянутые вдоль оптической оси (рассматриваем случай положительного кристалла); тогда фронт необыкновенной волны проходит под углом к нормали, то есть необыкновенный луч преломляется при нормальном падении. Если же оптическая ось перпендикулярна к нормали, то необыкновенный луч также проходит, не преломляясь, но преодолевает кристалл с меньшей скоростью из-за большего показателя преломления. При наклонном падении луча на поверхность кристалла обыкновенный луч преломляется в соответствии с законом преломления, а преломлённый необыкновенный луч не лежит в плоскости падения, что, очевидно, противоречит, закону преломления. Нарушение закона преломления для необыкновенного луча обусловливает его название.

2) Получение и анализ циркулярно и эллиптически поляризованного света:

Как было показано в 19.1 при нормальном падении плоско поляризованного света на кристалл, грань которого вырезана вдоль оптической оси, происходит разделение света на обыкновенный и необыкновенный лучи, поляризованные во взаимно перпендикулярных направлениях. При этом лучи «наберут» оптическую разность хода определяющую разность фаз – см. 11.1 (d – толщина кристаллической пластинки). Наложение взаимно перпендикулярных колебаний рассмотрено в 4.2 – при произвольной разности фаз выходящий свет будет эллиптически поляризован; при свет будет линейно поляризован, а при и равенстве амплитуд обыкновенного и необыкновенного лучей – циркулярно поляризован. Поляризация (эллиптическая или циркулярная) называется левой, если направления вращения и распространения соответствуют правилу правого буравчика; в противном случае поляризация называется правой.

Для получения и анализа поляризованного света используют специально изготовленные кристаллические пластинки. Если пластинка создает разность хода лучей (пластинка в «полволны» ), то в плоско поляризованном свете, попавшем на такую пластинку, изменяется направление поляризации: при угле между главной оптической плоскостью и плоскостью поляризации  происходит симметричный поворот относительно главной оптической плоскости на 2 (всякий плоско поляризованный свет можно рассматривать как результат наложения взаимно перпендикулярных колебаний – для одного из лучей возникнет разность фаз  (изменится направление), поэтому поворот плоскости поляризации составит 2). Пластинки в «четвертьволны» создают разность хода и преобразуют плоско поляризованный свет в эллиптически поляризованный, оси которого направлены вдоль оптической оси и перпендикулярно к ней. При попадании на такую пластинку эллиптически поляризованного света так, что одна из осей поляризации направлена вдоль оптической оси (то есть, по сути, двух лучей, плоско поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях) получается плоско поляризованный свет. При падении на такую же пластинку естественного света каждый из составляющих этот свет лучей поляризуется эллиптически. В результате поляризация луча в целом по-прежнему отсутствует, но концы всех векторов Е совершают эллиптические колебания.

Если на кристаллическую пластинку падает немонохроматический свет (содержащий волны с длинами (в вакууме) от ₀ до (₀ + ₀)), то для эллиптической поляризации требуется когерентность:

Для анализа поляризации света используют поляроиды (см. 17.3) и кристаллические пластинки в «четвертьволны». Плоско поляризованный свет при определённой ориентации не проходит через один поляроид, зато частично плоско поляризованный свет (как и эллиптически поляризованный) всегда проходит через поляроид с образованием максимумов и минимумов интенсивности при повороте. Для определения таких волн используют пластинки в «четвертьволны», ориентированные вдоль оси поляроида, для которой получен максимум (или минимум) интенсивности с одним поляроидом: после прохождения такой пластинки эллиптически поляризованный свет становится плоско поляризованным, а частично плоско поляризованный – эллиптически поляризованным. В первом случае свет не всегда проходит через второй поляроид, во втором – проходит всегда. Аналогично различают циркулярно поляризованный свет и естественный.

20. Интерференция поляризованных лучей. Условия наблюдения интерференции. Цвета кристаллических пластинок. Коноскопия. Искусственная оптическая анизотропия: фотоупругость, электро- и магнитооптические эффекты (Поккельса, Керра, Коттона-Мутона).

1. Интерференция поляризованных лучей:

Пусть плоско поляризованный свет падает на грань одноосного оптически анизотропного кристалла, вырезанную вдоль оптической оси. Тогда на выходе получим обыкновенный и необыкновенный лучи, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях (см. 19.1). Эти лучи имеют определённую разность хода, но не интерферируют: энергия не перераспределяется в пространстве (если то Для наблюдения интерференции поляризованных лучей необходимо пропустить их через поляроид, расположенный наклонно к главной оптической плоскости. Этот поляроид выделит составляющие обыкновенного и необыкновенного лучей, поляризованные в одной и той же плоскости; тогда характер интерференционной картины определится разностью хода этих лучей:

Выделяют два интерференционных эффекта для поляризованных лучей:

1. Цвета тонких плёнок: если на кристаллическую пластинку падает пучок плоско поляризованного белого света, то для разных длин волн формы и ориентации эллипсов поляризации окажутся различны, поэтому и доля лучей разных цветов после прохождения поляроида различна. В результате, при наблюдении кристаллической пластинки через поляроид она будет преимущественно окрашена в какой-либо цвет (обусловленной волной с длиной ). При повороте поляроида на угол /2 этот цвет изменится на дополнительный, поскольку поляроид почти не будет пропускать волны длины . Если пластинка имеет переменную толщину, то области разной толщины окажутся окрашенными в разные цвета – возникают полосы равной толщины.

2. Полосы равного наклона: если на кристаллическую пластинку, вырезанную перпендикулярно к оптической оси, падает сходящийся пучок плоско поляризованного света, то для некоторых  будут реализовываться условия максимума – при наблюдении через поляроид на пластинке будут видны светлые и тёмные кольца, а в центре – белое пятно (центральный луч пучка распространяется вдоль оптической оси, поэтому он не испытывает двойного лучепреломления). Поскольку все лучи, плоскость колебаний которых параллельна (или перпендикулярна) оптической оси кристалла, на выходе «дают» только необыкновенные (обыкновенные) лучи и не интерферируют, интерференционная картина пересечена белым крестом. Более удобно наблюдение этой картины в скрещенных поляроидах (крест – тёмный) или в свете лазера. По интерференционному кресту можно правильно установить кристалл, что используется в методе коноскопии.

2) Искусственная оптическая анизотропия:

Искусственная оптическая анизотропия может возникнуть при каком-либо разупорядочении структуры изотропного вещества; например:

Характеристики

Список файлов ответов (шпаргалок)