16.Поляризация света. Виды поляризованного света. Степень поляризации. Закон Малюса. Закон Брюстера. Двойное лучепреломление. Искусственная анизотропия. Вращение плоскости поляризации.

Поляризация – это ориентированность колебаний световой волны в пространстве. Эти колебания перпендикулярны направлению движения луча света. Электромагнитная волна является поперечной. Колебания вектора напряженности электрического поля и вектора индукции магнитного поля в электромагнитной волне происходят в перпендикулярных к направлению распространения волны плоскостях. Направление вектора напряженности электрического поля определяет тип поляризации световой волны.

Свет со всевозможными равновероятными ориентациями светового вектора – вектора напряженности электрического поля называется естественным или неполяризованным (рис. а; луч перпендикулярен плоскости рисунка). В результирующей волне вектор беспорядочно изменяет свою ориентацию во времени, так что в среднем все направления колебаний оказываются равноправными.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным.

Свет может оказаться поляризованным при отражении или рассеянии. В частности, голубой свет от неба частично или полностью поляризован. Однако, свет, испускаемый обычными источниками (солнечный свет, излучение ламп накаливания) неполяризован.

Свет, в котором колебания светового вектора одного направления преобладают над колебаниями других направлений, называется частично поляризованным (рис. б).

Свет, в котором вектор Е колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. в), называется плоскополяризованным (линейно поляризованным). Линейно поляризованный свет испускается лазерными источниками.

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации.

Плоскополяризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света - света, для которого вектор изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпендикулярной лучу (рис. б, г, е). Если эллипс поляризации вырождается в прямую (при разности фаз φ , равной нулю или π), то имеем дело с рассмотренным выше плоскополяризованным светом (рис. а, д), если в окружность и равенстве амплитуд складываемых волн), то имеем дело с циркулярно поляризованным (поляризованным по кругу) светом (рис. в).

В зависимости от направления вращения вектора различают правую и левую эллиптическую и круговую поляризацию. Если по отношению к направлению, противоположному направлению луча, вектор вращается по часовой стрелке, поляризация называется правой, в противном случае – левой.

Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя так называемые поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направления (например, пропускающие колебания, параллельные главной плоскости поляризатора, и полностью задерживающие колебания, перпендикулярные этой плоскости).

Если пропустить частично поляризованный свет через поляризатор, то при вращении прибора вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах при повороте на угол, равный .

Степенью поляризации называется величина:

К эллиптически поляризованному свету понятие степени поляризации не применимо (у такого света колебания полностью упорядочены).

Закон Малюса.

Поляризованный свет можно получить из естественного с помощью поляризаторов – анизотропных кристаллов, пропускающих свет только в одном направлении (исландский шпат, кварц, турмалин). Поляризатор, анализирующий в какой плоскости поляризован свет, называется анализатором. Поляризатор по своей конструкции ничем не отличается от анализатора. Разница в функциях: поляризатор выделяет из естественного света пучок с одним направлением колебаний вектора , а анализатор определяет, каково направление этих колебаний. Именно поэтому поляризаторы и анализаторы носят общее название поляроиды.

Если на анализатор падает плоско поляризованный свет амплитудой и интенсивности , плоскость поляризации которого составляет угол φ с плоскостью анализатора, то падающее электромагнитное колебание можно разложить на два колебания; с амплитудами , параллельное и перпендикулярное плоскости анализатора. Сквозь анализатор пройдет составляющая параллельная плоскости анализатора, то есть составляющая , а перпендикулярная составлявшая будет задержана анализатором. Тогда интенсивность прошедшего через анализатор света будет равна:

Закон Малюса: Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, прямо пропорциональна произведению интенсивности падающего плоско поляризованного света и квадрату косинуса угла между плоскостью падающего света и плоскостью поляризатора.

Поставим на пути естественного луча два поляризатора , плоскости которых образуют угол φ. Из первого поляризатора выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого составит половину естественного:

Согласно закону Малюса из второго поляризатора выйдет свет интенсивности, равной:

Закон Брюстера.

При угле падения, равном углу Брюстера :

1. отраженный от границы раздела двух диэлектриков луч будет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения;

2. степень поляризации преломленного луча достигает максимального значения меньшего единицы;

3. преломленный луч будет поляризован частично в плоскости падения;

4. угол между отраженным и преломленным лучами будет равен 90°;

5. тангенс угла Брюстера равен относительному показателю преломления:

Угол падения (отражения) – угол между падающим (отраженным) лучом и нормалью к поверхности.

Плоскость падения – плоскость, проходящая через падающий луч и нормаль к поверхности.

Двойное лучепреломление.

Все кристаллы, кроме кристаллов кубической системы – изотропных кристаллов, являются анизотропными, то есть свойства кристаллов зависят от направления.  Все прозрачные анизотропные кристаллы способны раздваивать проходящий через них световой луч на два луча, распространяющиеся с разными скоростями и в различных направлениях. Это явление получило название двойное лучепреломление.

Анизотропные кристаллы подразделяются на одноосные и двуосные. У одноосных кристаллов имеются одно направление, вдоль которого световой луч идёт, не раздваиваясь, называемое оптической осью кристалла. Плоскость, проходящая через световой луч и оптическую ось, называется главным сечением кристалла. У двуосных кристаллов имеется два направления, вдоль которых не происходит двойного лучепреломления.

У одноосных кристаллов (исландский шпат, кварц, турмалин) один из преломленных лучей подчиняется обычному закону преломления:

Он лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. Этот луч называется обыкновенным и обозначается буквой о. В обыкновенном луче колебание светового вектора перпендикулярно главному сечению кристалла.

Для другого луча, называемого необыкновенным (его обозначают буквой e), отношение синусов угла падения и угла преломления не остаётся постоянным при изменении угла падения. Он не лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. В необыкновенном луче колебание светового вектора параллельно главному сечению кристалла.

У двуосных кристаллов (слюда, гипс) оба луча необыкновенные.

Понятие обыкновенного и необыкновенного лучей имеет место, пока эти лучи распространяются в кристалле, при выходе из кристалла эти понятия теряют смысл, то есть лучи отличаются только плоскостями поляризаций.

Природа двойного лучепреломления связана с тем, что обыкновенные и необыкновенные лучи имеют разные скорости :

Таким образом, один из лучей (обыкновенный) имеет для всех направлений одно и то же значение показателя преломления, для другого луча (необыкновенного) показатель преломления зависит от направления луча.

А так как , то можно сказать, что первопричиной двойного лучепреломления является анизотропия (зависимость от направления) диэлектрической проницаемости кристалла.

Кристаллы, у которых называются положительными, а у которых называются отрицательными.

После выхода из пластинки обыкновенный и необыкновенный лучи, складываясь, дают в общем случае свет эллиптической поляризации. Ориентация осей эллипса и соотношение между ними будут зависеть от поляризации падающего на пластинку света, толщины и ориентации пластинки.

Рассмотрим частный случай.

Толщина пластинки такова, что разность хода двух волн составляет четверть волны:

Такая пластинка называется пластинкой в четверть длины волны.

Плоскополяризованный свет, проходящий через данную пластинку, становится эллиптически поляризованным и наоборот.

Чтобы наблюдать интерференцию обыкновенного и необыкновенного лучей, пластинку помещают между скрещивающимися поляризаторами.

Искусственная анизотропия.

В прозрачных аморфных телах, а также в кристаллах кубической системы может возникать двойное лучепреломление под влиянием внешних воздействий.

Оптически изотропные вещества становятся оптически анизотропными под действием: 1) одностороннего сжатия или растяжения (кристаллы кубической системы, стекла) ;

2) электрического поля (эффект Керра) ( жидкости, аморфные тела, газы) ;

3) магнитного поля (жидкости, стекла, коллоиды).

В перечисленных случаях вещество приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением деформации, электрического или магнитного полей соответственно указанным выше воздействиям.

Рассмотрим подробнее.

1.Изотропное тело, подвергнутое упругим деформациям, может стать анизотропным и изменить состояние поляризации проходящего света. Это явление, открытое в 1818 г. Брюстером, получило название фотоупругости или пьезооптического эффекта. При одностороннем растяжении или сжатии тело становится подобным одноосному кристаллу с оптической осью, параллельной направлению приложенной силы. Мерой возникающей при этом оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Опыт показывает, что эта разность пропорциональна нормальному напряжению в данной точке тела:

.

Поместим стеклянную пластинку Q между двумя скрещёнными поляризаторами

В отсутствие механической деформации свет через них проходить не будет. Если же стекло подвергнуть деформации, то свет может пройти, причем картина на экране получится цветная. По распределению цветных полос можно судить о распределении напряжений в стеклянной пластинке. Цветные полосы будут тем тоньше и расположатся тем гуще, чем выше концентрация напряжений; они укажут на области, с которых начнется разрушение детали.

2.Явление искусственной анизотропии может возникать в изотропных средах под воздействием электрического поля (эффект Керра). На рис. изображена так называемая ячейка Керра.

Установка состоит из ячейки Керра, помещённой между двумя скрещёнными поляризаторами Ячейка представляет собой герметичный сосуд с жидкостью (используется обычно нитробензол), в которую введены пластины конденсатора. В отсутствие поля свет через ячейку Керра не проходит. При подаче на пластины напряжения между ними возникает электрическое поле. Под его действием молекулы жидкости поворачиваются так, чтобы в направлении поля были ориентированы либо их дипольные моменты (у полярных молекул), либо направления наибольшей поляризуемости (у неполярных молекул). В результате жидкость становится анизотропной. Величина двойного лучепреломления прямо пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля:

(закон Керра),

Ячейка Керра может служить затвором света, который управляется потенциалом одного из электродов конденсатора, помещенного в ячейку. На основе ячеек Керра построены практически безынерционные затворы и модуляторы света с временем срабатывания до .

3.Эффект Коттона–Мутона - аналог эффекта Керра в магнитном поле. Если молекулы анизотропны и обладают постоянными магнитными моментами, то они могут преимущественно ориентироваться постоянным магнитным полем. В достаточно сильных магнитных полях возникает анизотропия, появляется двойное лучепреломление. В этом случае среда ведет себя как оптически одноосный кристалл. Величина двойного лучепреломления прямо пропорциональна квадрату индукции магнитного поля B при распространении света перпендикулярно к оптической оси:

4.Линейный электрооптический эффект Поккельса – изменение двойного лучепреломления вещества из-за смещения собственной частоты во внешнем электрическом поле. В отличие от эффекта Керра величина двойного лучепреломления прямо пропорциональна первой степени напряжённости электрического поля:

Вращение плоскости поляризации.

1.Естественное вращение.

Некоторые вещества из жидкостей, называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации. К числу таких веществ принадлежат кристаллические тела (кварц, сахар, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты).

Кристаллические вещества сильнее всего вращают плоскость поляризации в случае, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Угол поворота φ пропорционален пути l , пройденного лучом в кристалле:

В растворах угол поворота φ плоскости поляризации пропорционален пути света в растворе l и концентрации активного вещества C:

Оптически активные вещества в зависимости от направления вращения плоскости поляризации разделяются на право- и левовращающие. В первом случае плоскость поляризации, если смотреть навстречу лучу, вращается вправо (по часовой стрелке), во втором - влево (против часовой стрелки. Согласно теории Френеля, скорость распространения света в оптически активных веществах различна для лучей, поляризованных по кругу вправо и влево.

2.Магнитное вращение.

Оптически неактивные вещества приобретают способность вращать плоскость поляризации под действием магнитного поля. Это явление называется эффектом Фарадея. Оно наблюдается только при распространении света вдоль направления намагниченности. Для наблюдения эффекта Фарадея в полюсных наконечниках электромагнита просверливают отверстия, через которые пропускается световой луч. Исследуемое вещество помещается между полюсами электромагнита.

Угол поворота φ плоскости поляризации пропорционален пути l , пройденного светом в веществе, и намагниченности вещества. Намагниченность в свою очередь пропорциональна напряжённости магнитного поля H:

Направление вращения определяется направлением магнитного поля.

Оптически активные вещества под действием магнитного поля приобретают дополнительную способность вращать плоскость поляризации, которая складывается с их естественной способностью.