4. Поляризация света

4.1. Естественный и поляризованный свет

Свет, излучаемый отдельным атомом – это электро­магнитная волна, характеризуемая колебаниями двух поперечных взаимно пер­пендикулярных векторов — напряженности электрическо­го поля и напряженности магнитного поля (рис. 4-1).

Свет, у которого колебания век­тора - напряженности электрическо­го поля каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным. Вектор напряженности магнитного поля колеблется в другой (перпендику­лярной) плоскости (названной плоскостью поляризации света¹).

О пыт и теория показывают, что физиологическое, химическое и другие виды воздействия света на вещество обусловлены главным образом электрическими колебаниями. Поэтому, а также для упро­щения рисунков, изображающих световую волну, мы бу­дем в дальнейшем говорить только об электрических колебаниях, а плоскость, в которой они совершаются, называть плоскостью све­товых колебаний или плоскостью колебаний.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов, которые излучают независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая всем телом, характеризуется всевозможными рав­новероятными колебаниями светового век­тора (рис. 4-2,а; луч перпендикулярен плоскости рисунка). Рав­номерное распределение векторов объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитуд векторов - одинаковой интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможны­ми равновероятными ориентациями векто­ра (и вектора ) называется естественным.

Если в результате внешних воздействий появляется преимущественное на­правление колебаний вектора , то свет называется частично поляризованным (рис. 4-2, б). Свет, в котором вектор колеблется только в одном направлении, перпендику­лярном лучу (рис. 4-2, в), называется плоскополяризованным (линейно поляри­зованным).

Плоскополяризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света — света, для которого вектор (вектор ) со временем описывает эллипс в плоскости, перпендикулярной лучу. Если эллипс вырождается в прямую, то имеем дело с рассмотренным выше плоскополяризо­ванным светом, если в окружность, то имеем дело с циркулярно поляризованным (поляризованным по кру­гу) светом.

С тепенью поляризации называется ве­личина

(4-1)

где и — максимальная и мини­мальная интенсивности света.

Для естественного света = и Р = 0, для плоско-поляризованного света = 0 и Р = 1.

Естественный свет можно преобразо­вать в плоскополя-ризованный, используя поляризаторы, пропуска­ющие колебания определенного на­правления (например, пропускающие ко­лебания, параллельные плоскости поляри­затора, и полностью задерживающие колебания, перпендикулярные этой плоскости). В качестве поляризаторов используются среды, анизотроп­ные в отношении колебаний вектора , например кристаллы турмалина. В каждом кристалле имеется направление, относительно которого атомы (или ионы) кристаллической решетки расположены симметрично. Направление в оптически анизотропном кристалле, по которому луч света распространяется, не испытывая двойного лучепреломления, называет­ся оптической осью кристалла. У некоторых кристаллов имеется два таких направления; эти кристаллы называются двухосными. Турмалин относится к одноосным кристаллам. Подчеркнем, что оптическая ось — это не одна линия, а определенное направление в кристалле; все прямые, про­веденные в кристалле параллельно этому направлению, являются оптическими осями. Кристал­лы в зависимости от типа их симметрии бывают одноосные (например, исландский шпат) и двуосные, т. е. имеют одну или две оптические оси.

Турмалин представляет собой двояко-преломляющий кристалл, в котором один из лучей (обыкновенный) поглощается значительно сильнее, чем другой. Поэтому из пластинки турмалина оба луча, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, выходят с весьма различной интенсивностью, и прошед­ший через нее свет оказывается частично поляризованным. Если взять достаточно толстую (около 1 мм) пластинку турмалина, то в случае видимого света обыкновенный луч практически целиком поглощается и вышедший свет будет плоскополяризованным.

Различие в поглощении лучей разной поляризации влечет различие в поглощении естественного света в зависимости от направ­ления его распространения, т.к. от этого зависит ориен­тация электрического вектора волны относительно кристаллографических направлений. Такое различие в поглощении, зависящее, кроме того, от длины волны, приводит к тому, что кристалл по разным на­правлениям оказывается различно окрашенным. Это явление носит название дихроизма. Оно было открыто Кордье (1809 г.) на минерале, названном кордиеритом. Дихроизм турмалина был обнару­жен Био и Зеебеком (1816 г.).

Естественный луч, прошедший через пластинку тур­малина 1, вырезанную параллельно оптической оси ОО' кристалла, полностью поляризуется и имеет электрические колебания только в главной плоскости Q (главном сечении кристалла), т.е. в плоскости, проходящей через направ­ление луча света и оптическую ось кристалла (рис. 4-3).

Если естественный луч идет вдоль оптической оси, то все его электрические колебания перпендикулярны ей. В таком случае (благодаря симметричному рас­положению частиц кристалла относительно оптической оси) все электрические колебания совершаются в одинаковых условиях и все они проходят через кри­сталл. Поэтому естественный луч, идущий вдоль оптической оси, н е поляризу­ется.

Если за пластинкой 1 помещена вторая пластинка турмалина 2, ориентированная так, что ее оптическая ось перпендикулярна оптической оси пластинки 1, то через вторую пластинку луч не пройдет, т.к. его эле­ктрические колебания перпендикулярны гла­вной плоскости Q пластинки 2. Если же оп­тически оси пластинок 1 и 2 составляют угол , отличный от 90⁰, то свет проходит через пластинку 2. Амплитуда световых колебаний, прошедших через пластинку 2, будет меньше амплитуды световых колебаний, падающих на эту пластинку (рис. 4-4):

.

Интенсивность света пропорциональна квадрату ампли­туды световых колебаний, поэтому

, (4-2)

где I₁ — интенсивность света, падающего на пластинку 2,

I — интен­сивность света, прошедшего через эту пластинку.

Соотношение (4-2) называется законом Малюса².

Таким образом, поворот пластинки 2 вокруг поляризованного лу­ча приводит к изменению интенсивности света, прошедшего через эту пластинку; максимум интенсивности имеет место при  = 0°, минимум (соответствующий полному гашению света) — при  = 90°.

П ластинка 1, поляризующая естественный свет, называется поля­ризатором. Пластинка 2, служащая для анализа степени поляризации, называется анализатором. Обе пластинки совершенно одинаковы (их можно поменять местами); эти назва­ния характеризуют лишь назначение пластинок.

При пропускании естественного света интенсивно­стью I₀ че­рез две пластины, главные плоскости которых образуют угол , из первой выйдет плоскополяризованный свет интенсив­ностью , из второй, со­гласно (4-2), выйдет свет интенсив­ностью .

Следовательно, интенсивность света, прошедшего через две пластинки,

, откуда (пластинки па­раллельны) и (пластинки скрещены).