Распространение света в оптически прозрачных кристаллах.

Из электромагнитной теории следует, что световые волны поперечны. Векторы , однако крест векторов Е и Н может быть произвольно ориентирован в плоскости, перпендикулярной направлению распространения светового луча (S). Эта асимметрия по отношению к лучу является тем признаком, по которому можно экспериментально установить поперечность световых волн (в продольных волнах такой ассиметрии нет!). Система, которая позволила бы выявить такую асимметрию, сама должна быть асимметричной. С примером такой системы мы уже встречались – это отражение и преломление света на границе двух диэлектриков. Отражение (и преломление) происходит по-разному для лучей с разной поляризацией. Если на поверхность раздела падает естественный свет, то отраженный свет поляризован (частично или полностью), соответственно преломленный свет частично поляризован. Другой асимметричной системой является кристалл (не все кристаллы обладают таким свойством). Атомы в кристалле расположены в виде пространственной решетки, которая может быть анизотропной (соответственно, анизотропны и ее оптические свойства). Исторически – прохождение света через анизотропные кристаллы было первым явлением, послужившим к установлению поперечности световых волн.

Оптическая ось кристалла.

Оптическая ось кристалла — выделенное направление в кристалле. Чаще всего данный термин употребляется в связи с двулучепреломлением. Из-за особенностей внутренней структуры кристалла (специфической структуры кристаллической решётки, формы атомов или молекул его составляющих) свет распространяется вдоль оптической оси иначе чем в других направлениях. Так если свет будет распространяться вдоль оптической оси одноосного кристалла (например, кальцит, кварц), то ничего необычного не произойдёт. Однако если луч света будет не параллелен оптической оси, то, при прохождении через кристалл он расщепится на два: обыкновенный и необыкновенный, которые будут взаимно перпендикулярно поляризованы.

Показатель преломления обыкновенного луча постоянен для любого направления в кристалле, а необыкновенного луча переменный и зависит от направления. В одноосном кристалле для направления, параллельного оптической оси, их показатели преломления равны.

Явление двойного лучепреломления.

Двойно́е лучепреломле́ние — эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие. Впервые обнаружен датским ученым Расмусом Бартолином на кристалле исландского шпата. Если луч света падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то на этой поверхности он расщепляется на два луча. Первый луч продолжает распространяться прямо, и называется обыкновенным (o — ordinary), второй же отклоняется в сторону, и называется необыкновенным (e — extraordinary).

Описание.

Направление колебания вектора электрического поля необыкновенного луча лежит в плоскости главного сечения (плоскости, проходящей через луч и оптическую ось кристалла). Оптическая ось кристалла - направление в оптически анизотропном кристалле, по которому луч света распространяется, не испытывая двойного лучепреломления.

Нарушение закона преломления света необыкновенным лучом связанно с тем, что скорость распространения света (а значит и показатель преломления) волн с такой поляризацией, как у необыкновенного луча, зависит от направления. Для обыкновенной волны скорость распространения одинакова во всех направлениях.

Можно подобрать условия, при которых обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются по одной траектории, но с разными скоростями. Тогда наблюдается эффект изменения поляризации. Например, линейно поляризованный свет, падающий на пластинку можно представить в виде двух составляющих (обыкновенной и необыкновенной волн), двигающихся с разными скоростями. Из-за разности скоростей этих двух составляющих, на выходе из кристалла между ними будет некоторая разность фаз, и в зависимости от этой разности свет на выходе будет иметь разные поляризации. Если толщина пластинки такова, что на выходе из неё один луч на четверть волны (четверть периода) отстаёт от другого, то поляризация превратится в круговую (такая пластинка называется четвертьволновой), если один луч от другого отстанет на пол волны, то свет останется линейно поляризованным, но плоскость поляризации повернётся на некоторый угол, значение которого зависит от угла между плоскостью поляризации падающего луча и плоскостью главного сечения (такая пластинка называется полуволновой).