11.5. Явление двойного лучепреломления

При прохождении света через прозрачные кристаллы (за исключением кристаллов кубической системы) наблюдается явление, суть которого заключается в том, что световой луч, преломляясь в кристалле, разделяется на два луча, линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях и распространяющихся с различной скоростью. Это явление называется двойным лучепреломлением, а кристаллы, обладающим таким свойством, – двояко преломляющими кристаллами. Такие кристаллы обладают двумя разными способами преломления, т.е. двумя показателями преломления в зависимости от поляризации

Рис. 11.7

света. Образовавшиеся лучи расходятся в пространстве. Это расхождение тем больше, чем длиннее их путь в кристалле. Один из этих лучей лежит в плоскости падения, подчиняется обычному закону преломления и называется обыкновенным лучом (обозначается о). Этот луч поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Второй луч называется необыкновенным лучом (обозначается е). Для этого луча отношение синусов углов падения и преломления не остается постоянным при изменении угла падения. Необыкновенный луч не лежит в плоскости падения, поляризован в плоскости падения и преломляется даже при нормальном падении (рис. 11.7). После выхода из кристалла о- и е-лучи распространяются параллельно друг другу.

Однако в двояко преломляющих кристаллах имеется такое направление, вдоль которого обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются не разделяясь с одинаковой скоростью. Это направление называется оптической осью кристалла (на рис. 11.7 – ось ОО). Кристаллы, обладающие одной такой осью, называются одноосными кристаллами. Если внешняя преломляющая грань одноосного кристалла вырезана перпендикулярно оптической оси, то луч, падающий нормально, будет распространяться в кристалле с одинаковой скоростью, независимо от его поляризации (рис. 11.8, а). Поляризационное состояние света при этом не

меняется, естественный свет остается таким же естественным. Направление колебаний электрического вектора у поляризованной волны не меняется. Пространственное разделение лучей не происходит при нормальном падении и в том случае, когда оптическая ось ОО будет параллельна внешней грани кристалла (рис. 11.8, б). Однако в этом случае различно поляризованная волна ведет себя по-разному.

а) б)

Рис. 11.8

Если в падающем на такой кристалл линейно поляризованном свете электрический вектор перпендикулярен оптической оси кристалла, то свет будет распространяться с той же скоростью , что и в предыдущем случае. Если же электрический вектор параллелен оси, свет будет распространяться со скоростью отличной от скорости . В такой световой волне скорости обыкновенного и необыкновенного лучей различны ( ). Пространственное раздвоение лучей возникает, если оптическая ось ОО направлена под углом к преломляющей поверхности (как на рис. 11.8, а).

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

Явление двойного лучепреломления объясняется тем, что в анизотропных средах (кристаллах) поляризуемость, а значит, и диэлектрическая проницаемость и показатель преломления (и скорость света ) зависят от направления. В одноосных кристаллах показатель преломления в направлении оптической оси и в направлениях, перпендикулярных ей, имеют разные значения n_|| ¹ n_^. Предположим теперь, что из воздуха на поверхность кристалла под углом a падает неполяризованная световая волна. Предположим далее, что плоскость падения параллельна оптической оси. Представим падающую волну в виде двух некогерентных плоских волн таких, что в одной из них вектор E колеблется в плоскости падения, а в другой – перпендикулярно ей. Очевидно, что и в кристалле будут распространяться две волны. В одной из них вектор E колеблется в плоскости падения, а в другой – перпендикулярно этой плоскости. Так как n_|| ¹ n_^, то в соответствии с инвариантом преломления углы преломления a₂^|| и a₂^{^} этих волн будут различны – произойдет пространственное разделение волн, поляризованных вдоль и поперек оптической оси. Следовательно, если на кристалл падает естественный (неполяризованный) свет, то в нем произойдет разложение падающего на кристалл луча на два непараллельных луча, каждый из которых полностью линейно поляризован.

Двояко преломляющими свойствами обладают длинные игловидные кристаллы, содержащие вытянутые несферические молекулы, расположенные так, что их большие оси параллельны друг другу. Направление этих осей совпадает с оптической осью кристалла. Такая структура молекул способствует тому, что колебания электронов в них возбудить легче вдоль оси молекулы, чем поперек нее. Поэтому взаимно перпендикулярная поляризация волн, падающих на кристалл и приводит к различным эффектам.

В анизотропных кристаллах поглощение зависит от ориентации плоскости поляризации, поэтому обыкновенный и необыкновенный лучи будут поглощаться в разной степени. Это явление называется дихроизмом. В кристалле турмалина, например, дихроизм настолько сильно выражен, что обыкновенный луч практически полностью поглощается уже при толщине пластинки 1 мм. Поэтому естественный луч, падающий на пластинку турмалина, выходит из нее полностью поляризованным в одном направлении (в плоскости падения). Если же различие в поглощении не столь значительно, то обыкновенный луч ликвидируют, выводя его из кристалла в другом направлении, а затем добиваясь его полного поглощения в оправе, в которую заключен кристалл (так получают так называемые призмы Николя).

В заключение отметим, что тот факт, что после прохождения двояко преломляющего кристалла световой луч разлагается на два взаимно перпендикулярно поляризованных луча, так же подтверждает, что любое поляризационное состояние фотона может быть представлено как суперпозиция двух (и только двух) независимых состояний. Если бы это было не так и состояний было больше двух, после прохождения кристалла кванты оказались бы частично поглощенными либо распались бы не на два, а на большее число групп. Эти два независимых состояния могут быть выбраны по-разному. Убедится в этом можно, повернув кристалл на некоторый угол вокруг оси, совпадающей с направлением падающего луча. При таком повороте плоскости поляризации лучей тоже повернуться и на тот же угол.