20.6. Двойное лучепреломление
Как уже упоминалось в (17.1.2.), закон преломления может не выполняться в анизотропных средах. Действительно, этот закон утверждает, что:
, где n1 и n2 - постоянные для данных веществ величины.
Но
(19.3.2),
где E0 - напряженность электрического поля в вакууме, а E - в веществе. Поле в веществе E < E0, т.к. диэлектрик поляризуется и создает поле E', направленное навстречу E0. В свою очередь поле E' пропорционально вектору поляризации (9.13.3), а величина вектора пропорциональна сумме дипольных моментов молекул (9.13.2). Дипольный же момент √ это произведение заряда q на расстояние между зарядами r (9.13.1.1.). Если молекула несимметрична, то величина ее дипольного момента зависит от ее ориентации относительно вектора напряженности электрического поля. Следовательно, показатель преломления n будет зависеть от направления вектора световой волны. В этом и состоит нарушение закона преломления.
20.6.1. Модель двояко преломляющего кристалла
Рассмотрим модель кристаллического вещества, в котором "молекулы" в форме эллипсоидов вращения хорошо поляризуются вдоль одной оси. Назовем эту ось оптической осью "кристалла". В направлениях, перпендикулярных этой оси (рисунок ниже), "молекулы" поляризуются хуже.
Направим на этот "кристалл" перпендикулярно оптической оси два плоско поляризованных луча света. Пусть у одного луча вектор 1 перпендикулярен длинной оси "молекул" - оптической оси "кристалла", а у другого 2 параллелен оптической оси. Показатели преломления для этих лучей будут разные. В силу приведенных выше рассуждений n1 < n2. Лучи 1 и 2 после прохождения кристалла толщиной d приобретут оптическую разность хода:
.
С этой разностью хода связана разность фаз (18.1.2.2):
.
При изменении плоскости поляризации света показатель преломления будет изменяться от n1 до n2, т. е. n ≠ const! Направим теперь на наш "кристалл" плоско поляризованный свет, распространяющийся вдоль оптической оси. В силу симметрии "молекул" в плоскости, перпендикулярной оптической оси, показатель преломления теперь не будет зависеть от направления вектора . В данной ситуации при любом своем направлении вектор остается перпендикулярным длинной оси молекул (оптической оси "кристалла"), следовательно, n = const = n1.
Главным сечением кристалла называют любую плоскость, проходящую через его оптическую ось. Если вектор световой волны перпендикулярен главному сечению, то показатель преломления n = const = n1 (лучи 1 и 3 на верхнем рисунке).
20.6.1.1. Необыкновенный и обыкновенный луч
Направим на наш кристалл под произвольным углом к оптической оси световую волну с вектором , лежащим в главном сечении (рисунок ниже). Пусть верхняя грань кристалла будет параллельна оптической оси.
При изменении угла падения i угол преломления r будет изменяться, но отношение
.
Это и есть нарушение закона преломления. Поэтому, такой луч называют необыкновенным, для него показатель преломления не является постоянной величиной, он зависит от направления распространения луча (т.к. с ним связана, в этом случае, ориентация вектора относительно оптической оси кристалла). Максимальная величина показателя преломления обычно обозначается ne (у нас ne обозначено как n2).
Если вектор световой волны направить перпендикулярно главному сечению (см. рисунок в разделе (20.6.1), луч 1), то показатель преломления не будет зависеть от угла падения, т.е. закон преломления будет выполняться. Такой луч называют обыкновенным, а показатель преломления для этого луча обозначают обычно n0 (у нас n0 обозначено как n1).