29. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Бюстера и причины отклонения от него. Понятие об эллипсометрии.

Степень поляризации (степень выделения световых волн с определенной ориентацией электрического (и магнитного) вектора) зависит от угла падения лучей и показателя преломления. Шотландский физик Д. Брюстер установил закон, согласно которому при угле падения IB (угол Брюстера), определяемого соотношением

 

 (n₂₁ - показатель преломления второй среды относительно первой), отраженный луч является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения). Преломленный же луч при угле падения i_B поляризуется максимально, но не полностью.

Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (tgi_B = sini_B/cosi_B, n₂₁ = sini_B / sini₂(i₂ - угол преломления), откуда cosi_B = sini₂). Следовательно, i_B – i₂ = p/2, но i¢_B = i_B (закон отражения), поэтому i'_B + i₂ = p/2.

Степень поляризации отраженного и преломленного света при различных углах падения можно рассчитать из уравнений Максвелла, если учесть граничные условия для электромагнитного поля на границе раздела двух изотропных диэлектриков (так называемые формулы Френеля).

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена (многократным преломлением при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера).

Эллипсометрия — высокочувствительный и точный поляризационно-оптический метод исследования поверхностей и границ раздела различных сред (твердых, жидких, газообразных), основанный на изучении изменения состояния поляризации света после взаимодействия его с поверхностью границ раздела этих сред.

Состояние поляризации света можно разложить на две составляющие s (осциллирующая перпендикулярно плоскости падения) и p (осцилляции световой волны параллельно плоскости падения). Амплитуды s и p компонент, после отражения и нормализации к изначальным значениям, обозначаются как rs и rp. Эллипсометрия измеряет комплексный коэффициент отражения системы —  , который является отношением rp к rs:

Комплексный коэффициент отражения также можно параметризовать через амплитуду   и фазовый сдвиг   (различие):

Так как эллипсометрия измеряет отношение (или разницу) двух величин, а не абсолютные значения каждого, — это очень точный и воспроизводимый метод. Например, он относительно устойчив к рассеянию света и флуктуациям, а также не требует стандартного (контрольного) образца или опорного светового луча.

30. Поляризация света при двойном лучепреломлении. Обыкновенные и не обыкновенные лучи. Одноосные и двуосные кристаллы. Призма Николя.

Двойным лучепреломлением называют явление разделения естественного света на два излучения с взаимно ортогональными линейными поляризациями.

При освещении одноосного кристалла пучком естественного света под углом к оптической оси он распадается на два линейно поляризованных луча, идущих по разным направлениям. На выходе из кристалла эти два луча распространяются параллельно первоначальному направлению. Луч с вектором , располагающимся в плоскости главного сечения, называют необыкновенным е, а луч с вектором  , перпендикулярным плоскости главного сечения – обыкновенным о.

Показатель преломления, а, следовательно, и скорость распространения для обыкновенного луча n_o не зависит от направления в кристалле. Обыкновенный луч распространяется в кристалле по обычным законам геометрической оптики.

Для необыкновенного луча показатель преломления изменяется от n_o в направлении оптической оси до n_e в перпендикулярном к ней направлении. Если n_e > n_o, то кристаллы называют положительными, при обратном соотношении n_e < n_o – отрицательными. Зависимости показателей преломления от направления в одноосных кристаллах можно представить в виде кривых, описываемых концом вектора, направление которого совпадает с направлением луча в кристалле, а величина соответствует показателю преломления (рис. 3.5). Волновой поверхностью обыкновенного луча является сфера, волновой поверхностью необыкновенного луча – эллипсоид вращения.

Призма Николя — поляризационное устройство, в основе принципа действия которого лежат эффектыдвойного лучепреломления и полного внутреннего отражения.

Конструкция. Призма Николя представляет собой две одинаковые треугольные призмы из исландского шпата, склеенные тонким слоем канадского бальзама. Призмы вытачиваются так, чтобы торец был скошен под углом 68° относительно направления проходящего света, а склеиваемые стороны составляли прямой угол с торцами. При этом оптическая ось кристалла (AB) находится под углом 64° с направлением света.

Принцип действия. Свет с произвольной поляризацией, проходя через торец призмы испытывает двойное лучепреломление, расщепляясь на два луча — обыкновенный, имеющий горизонтальную плоскость поляризации (AO) и необыкновенный, с вертикальной плоскостью поляризации (АE). После чего обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение от плоскости склеивания и выходит через боковую поверхность. Необыкновенный беспрепятственно выходит через противоположный торец призмы.