59. Двойное лучепреломление. Поляризационные приборы.

Все прозрачные кристаллы (кроме кристаллов кубической системы, которые оптически изотропны) обладают способностью двойного лучепреломления, т. е. раздваивания каждого падающего на них светового пучка. Это явление, в 1669 г. впервые обнаружен­ное датским ученым Э. Бартолином (1625—1698) для исландского шпата (разновидность кальцита СаСОз), объясняется особенностями распространения света в анизотропных средах и непосредственно вытекает из уравнений Максвелла.

Если на толстый кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу (рис. 277). Даже в том случае, когда первичный пучок падает на кристалл нормально, преломленный пучок разделяется на два, причем один из них является продолжением первичного, а второй отклоняется (рис. 278). Второй из этих лучей получил название необыкновенного (e), а первый — обыкновенного (о).

В кристалле исландского шпата имеется единственное направление, вдоль которого двойное лучепреломление не наблюдается. Направление в оптически анизотропном кристалле, по которому луч света распространяется, не испытывая двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла. В данном случае речь идет именно о направлении, а не о прямой линии, проходящей через какую-то точку кристалла. Любая прямая, проходящая параллельно данному направлению, является оптической осью кристалла. Кристаллы в зависимости от типа их симметрии бывают одноосные и двуосные, т.е. имеют одну или две оптические оси (к первым и относится исландский шпат).

Исследования показывают, что вышедшие из кристалла лучи плоскополяризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Плоскость, проходящая через направление луча света и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью (или главным сечением кристалла). Колебания светового вектора (вектора напряженности Е электрического поля) в обыкновенном луче происходят перпендикулярно главной плоскости, в необыкновенном — в главной плоскости (рис. 278).

Неодинаковое преломление обыкновенного и необыкновенного лучей указывает на различие для них показателей преломления. Очевидно, что при любом направлении обыкновенного луча колебания светового вектора перпендикулярны оптической оси кристалла, поэтому обыкновенный луч распространяется по всем направлениям с оди­наковой скоростью и, следовательно, показатель преломления n_o для него есть величина постоянная. Для необыкновенного же луча угол между направлением колебаний светового вектора и оптической осью отличен от прямого и зависит от направления луча, поэтому необыкновенные лучи распространяются по различным направлениям с разными скоростями. Следовательно, показатель преломления п_e необыкновенного луча является переменной величиной, зависящей от направления луча. Таким образом, обыкновенный луч подчиняется закону преломления (отсюда и название «обыкновенный»), а для необыкновенного луча этот закон не выполняется. После выхода из кристалла, если не принимать во внимание поляризацию во взаимно перпендикулярных плоскостях, эти два луча ничем друг от друга не отличаются.

Как уже рассматривалось, обыкновенные лучи распространяются в кристалле по всем направлениям с одинаковой скоростью v_o=c/n_o, а необыкновенные — с разной скоростью v_e=с/п_e (в зависимости от угла между вектором Е и оптической осью). Для луча, распространяющегося вдоль оптической оси, n_o=n_e, v_o=v_e, т.е. вдоль оптической оси существует только одна скорость распространения света. Различие в v_e и v_o для всех направлений, кроме направления оптической оси, и обусловливает явление двойного лучепреломления света в одноосных кристаллах.

Допустим, что в точке S внутри одноосного кристалла находится точечный источ­ник света. На рис. 279 показано распространение обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле (главная плоскость совпадает с плоскостью чертежа, OO' — направление оптической оси). Волновой поверхностью обыкновенного луча (он распространяется с v_o=const) является сфера, необыкновенного луча (v_e¹const) — 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 OO'. Если v_e<v_o (n_e>n_o), то эллипсоид необыкновенного луча вписан в сферу обыкновенного луча (эллипсоид скоростей вытянут относительно оптической оси) и одноосный кристалл называется положительным (рис. 279, а). Если v_e>v_o (n_e<n_o), то эллипсоид описан вокруг сферы (эллипсоид скоростей растянут в направлении, перпендикулярном оп­тической оси) и одноосный кристалл называетсяотрицательным (рис. 279, б). Рассмот­ренный выше исландский шпат относится к отрицательным кристаллам.

В качестве примера построения обыкновенного и необыкновенного лучей рассмот­рим преломление плоской волны на границе анизотропной среды, например положи­тельной (рис. 280). Пусть свет падает нормально к преломляющей грани кристалла, а оптическая ось OO' составляет с нею некоторый угол. С центрами в точках А и В построим сферические волновые поверхности, соответствующие обыкновенному лучу, и эллипсоидальные — необыкновенному лучу. В точке, лежащей на OO', эти поверх­ности соприкасаются. Согласно принципу Гюйгенса, поверхность, касательная к сферам, будет фронтом (а—а) обыкновенной волны, поверхность, касательная к эллипсо­идам, — фронтом (b—b) необыкновенной волны. Проведя к точкам касания прямые, получим направления распространения обыкновенного (о) и необыкновенного (е) лучей. Таким образом, в данном случае обыкновенный луч пойдет вдоль первоначаль­ного направления, необыкновенный же отклонится от первоначального направления.

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ - оптич. приборы для обнаружения, анализа, получения и преобразования поляризов. оптич.излучения, а также для разл. исследований и измерений, использующих явление поляризации света. К простейшим устройствам для получения и преобразования поляризов. света относятся поляризаторы (П.), фазовые пластинки (ФП), оптич. компенсаторы, деполяризаторы, оптич. стопы и др.

Процессы получения и преобразования поляризов. света основаны на взаимодействиях света с веществом, нарушающих осевую симметрию светового луча. Для получения полностью или частично поляризованного света используется одно из трёх физ. явлений:поляризация при отражении или преломлении света на границе раздела двух изотропных сред с разл. показателями преломления, линейный дихроизм и двойное лучепреломление .В первом случае анизотропия взаимодействия света со средой определяется наличием выделенной плоскости падения света и различием коэф. отражения для компонент светового луча, поляризованных параллельно и перпендикулярно этой плоскости (см. Френеля

формулы). При нормальном падении света на поверхность раздела (когда положение плоскости падения не определено) аксиальнаясимметрия взаимодействия света со средой не нарушается и поляризац. преобразования светового пучка не происходит. В соответствии с ф-лами Френеля степень поляризации отражённой и преломлённой компонент светового пучка зависит от угла падения. Если световой луч падает на границу раздела под углом Брюстера (см. Брюстера закон), то отражённый свет оказывается полностью поляризованным. На этом основано действие отражательных П. Осн. недостаток отражат. П.- малость коэф. отражения - устраняется при использовании многослойных диэлектрич. покрытий (интерференционные П.). Однако при этом сохраняются общие для всех отражат. П. недостатки - сильная зависимость степени поляризации от угла падения (малая угл. апертура) и от длины волны света (хроматизм).

Луч, преломлённый на границе раздела, поляризуется лишь частично, но при угле падения, равном углу Брюстера, компонента луча, поляризованная в плоскости падения, проходит через границу раздела без потерь. Т.о., пропуская свет последовательно через неск. прозрачных плоскопараллельных пластинок, можно достичь значит. степени поляризации прошедшего пучка практически без ослабления интенсивности одной из поляризац. компонент (см. Стопа в оптике).

Аксиальная симметрия взаимодействия света со средой может нарушаться вследствие оптической анизотропии самой среды. При этом в области полос поглощения света оптически анизотропные среды неодинаково поглощают обыкновенный и необыкновенный лучи (линейный дихроизм). При достаточной величине разности соответствующих оптич. плотностей одна из поляризац. компонент светового пучка может поглотиться практически полностью, и прошедший через среду свет приобретает высокую степень линейной поляризации. Такие П. наз. дихроичными. Наиб. эффективными и практически единственными применяемыми в наст. время дихроичными П. являютсяполяроиды .Достоинствами поляроидов являются компактность, большая угл. апертура и высокая поляризующая способность, недостатками - низкая лучевая прочность и сильный хроматизм.

В области прозрачности для оптически анизотропных сред (кристаллов) характерно двойное лучепреломление, проявляющееся, в частности, в различии направлений групповых скоростей двух ортогонально поляризованных компонент распространяющегося по кристаллу светового луча. При пропускании узкого светового луча через соответствующим образом вырезанную пластинку оптически анизотропного кристалла на выходе из пластинки (при достаточной величине двупреломле-ния) световой луч расщепится на два луча, линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 1).

Рис. 1. Поляризация света с помощью двупреломляю-щего кристалла: направления электрических колебаний указаны стрелками (колебания в плоскости рисунка) и точками (перпендикулярно плоскости рисунка); о и е - обыкновенный и необыкновенный лучи.

Этот способ применяется для поляризации узконаправленных пучков малого сечения (напр., излучение лазера) и требует использования материалов с высоким двупреломленнем (типа исландского шпата). Более совершенными П., основанными на явлениидвойного лучепреломления, служат поляризационные призмы (ПП), проходя через к-рые две поляризац. компоненты светового луча в общем случае не сохраняют направления распространения, отклоняясь на разл. углы. В однолучевых ПП одна из компонент луча испытывает полное внутреннее отражение на наклонной границе раздела составных частей призмы и обычно гасится её чернёной поверхностью. Вторая поляризац. компонента проходит через призму без изменения направления распространения. Двулучевые ППрасщепляют исходный световой пучок на два линейно поляризованных, распространяющихся в разл. направлениях. ПП характеризуются широким спектральным диапазоном рабочих частот, высокой поляризующей способностью и лучевой прочностью.

Циркулярные и эллиптич. П. существенно отличаются от линейных из-за отсутствия сред с циркулярной пли эллиптич. анизотропией, сравнимой по величине с линейной. Обычно циркулярный П. представляет собой комбинацию последовательно расположенных линейного П. и четвертьволновой ФП, вносящей фазовый сдвиг между двумя ортогонально поляризованными компонентами световой волны и преобразующей линейно поляризованный свет в циркулярно поляризованный. Двулучепреломляющие ФП изготовляются из материалов как с естественной, так и с индуцированной оптич. анизотропией; отражат. ФП (напр., ромб Френеля, рис. 2) - из оптически изотропных материалов, принцип их действия основан на изменении поляризац. состояния света при полном внутр. отражении. Преимуществом отражат. ФП перед двупреломляющими является слабая зависимость фазового сдвига от длины волны (ахроматизм).

Рис. 2. Ромб Френеля. Значения углов указаны для отношения показателей преломления двух сред, равного 1,51.

Все П. (линейные, циркулярные, эллиптич.) могут использоваться и как анализаторы; при этом последовательность расположения ФП и линейного П. в составных эллиптич. и циркулярных П. инвертируется.

Деполяризация света обычно достигается не путём истинного устранения корреляции между его поляризац. компонентами (это практически невозможно), а путём получения излучения, к-рое в конкретных условиях данной задачи не проявляет своих поляризац. свойств. В качестве деполяризаторов для световых пучков широкого спектрального состава могут использоваться сильнохроматич. ФП, создающие излучение со спектрально-осциллирующим состоянием поляризации. При измерениях с невысоким временным разрешением деполяризация может достигаться ВЧ-модуля-цией состояния поляризации пучка. При работе с широкими световыми пучками деполяризаторами могут служить сильнохроматич. ФП переменной толщины (напр., клиновидные), создающие усредняющийся по всему сечению тонкий полярнзац. рельеф светового пучка. В нек-рых случаях в качестве линейного деполяризатора, устраняющего лишь линейную поляризац. анизотропию светового луча, может применяться циркулярный П., а в качестве циркулярного деполяризатора - линейный П.

Для поляризац. модуляции света обычно используются эффекты наведённой оптич. анизотропии (Керра эффект, Поккельса эффект, Фарадея эффект, фотоупругость)в условиях модуляции внеш. возмущения (электрич. поля, маги, поля, деформации), приложенного к оптич. среде. Возникающая при этом модуляция фазовых соотношений между поляризац. компонентами светового пучка приводит к модуляции его поляризац. состояния при сохранении полной интенсивности. Поляризац. модуляторы служат основой для мн. модуляторов интенсивности света.

Приборы для поляризац--оптич. исследований, несмотря на их многообразие, основаны на преобразовании поляризац. характеристик излучения в амплитудные. Любой фотоприёмник (в т. ч. и глаз) реагирует на интенсивность излучения, и конечным этапом поляризац. измерений является измерение интенсивности света. Простейшее преобразование поляризац. состояния света (азимута плоскости поляризации ) в интенсивность описывается Малюса законом и реализуется при пропускании линейно поляризованного излучения через линейный анализатор.

Среди сложных П. п. с визуальной регистрацией наиб. известен поляризационный микроскоп ,широко применяемый для определения величины и характера анизотропии кристаллич. сред и жидких кристаллов. Для изучения механич. напряжений в конструкциях используется поляризац--оптич. метод исследования напряжений.

Для прецизионных измерений оптич. анизотропии и её зависимости от длины волны служат автоматич. П. п. с фотоэлектрич. регистрацией. Количеств. анализ анизотропии сводится к сопоставлению оптич. свойств среды в двух ортогональных поляризациях путём поляризац. модуляции света. При измерениях оптич. анизотропии, наведённой в среде внеш. возмущением, обычно модулируют это возмущение, и измерение сводится к регистрации противофазной модуляции интенсивностей двух поляризац. компонент пучка на частоте модуляции возмущения. Для повышения чувствительности измерений часто применяют балансные схемы фоторегистрацип (рис. 3).

Рис. 3. Балансная схема регистрации разности интенсивностей двух ортогонально поляризованных компонент светового луча.

Две поляризац. компоненты пучка разделяются с помощью ФП и двулу-чевой ПП и поступают на два фотоприёмника, включённых так, что их фототеки на выходе схемы (нагрузке R) вычитаются. При этом регистрируемый сигнал противофазной модуляции интенсивностей компонент удваивается, а сфазиров. колебания интенсивности, связанные с флуктуациями интенсивности света, скомпенсируют друг друга, что значительно улучшает отношение сигнал/шум.

П. п. для измерений вращения плоскости поляризации в средах с естественной и наведённой магн. полем оптич. активностью (поляриметры)и дисперсии этого вращения (спектрополяриметры)играют существ. роль в физ. исследованиях твёрдых тел, а также в хим. и биол. исследованиях. Применение в поляриметрах лазерных источников света позволило достичь чувствительности к углу вращения плоскости поляризации До   град.

Для обнаружения и количеств. определения поляризации света используются полярископы .Предельно обнаруживаемая примесь поляризов. света зависит от его интенсивности и практически достигает относит. значений

П. п. широко применяются в науч. исследованиях электронной структуры атомов, молекул и твёрдых тел, электрич. и магн. свойств разл. сред, поверхностных явлений и оптич. свойств тонких плёнок (см. Эллипсо-метрия), для регистрации статич. механич. напряжений, а также акустич. и ударных волн в прозрачных средах, при изучении диффузии макромолекул в растворах, для определения содержания оптически активных молекул в растворах (см. Сахариметрия)и т. д. Принципы поляризац. оптики используются в приборах для геодезич. измерений, в системах оптической локации н оптической связи, в схемах управления лазерным излучением, в скоростной фото- и киносъёмке и пр. в. с. Запасский.