Вопрос 34. Поляризация при двойном лучепреломлении. Дихроизм.

Некоторые прозрачные кристаллы обладают свойством двой­ного лучепреломления: при попадании света на кристалл луч раз­дваивается. Для одного из лучей выполняются обычные законы преломления, и поэтому этот луч называют обыкновенным, для другого — эти законы не выполняются и луч называют необыкно­венным.

Д войное лучепреломление при нормальном падении света на поверхность кристалла показано на рис.: обыкновенный (о) луч, как это следует из закона преломления, проходит не прелом­ляясь, необыкновенный (е) — преломляется.

Направления, вдоль которых двойного лучепреломления нет и оба луча, обыкновенный и необыкновенный, распространяются с одной скоростью, называют оптическими осями кристалла (штриховая линия на рис.). Если такое направление одно, то кристаллы называют одноосными (они и рассматриваются в этом параграфе). К ним принадлежит исландский шпат (разновидность углекислого кальция СаС0₃ — кристалл гексагональной системы), кварц, турмалин (сложный алюмосиликат, кристаллы тригональной системы) и др. Плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главной плоскостью кристалла. Колебания обыкновенного луча перпендикулярны главной плоскости, а необыкновенного — лежат в главной плоскости кристалла, т. е. эти лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Двойное лучепреломление обусловлено особенностями распространения электромагнитных волн в анизотропных средах: амплитуды вынужденных колебаний электронов зависят от направлений этих колебаний.

Х од обыкновенных и необыкновенных лучей в кристаллах можно наглядно представить с помощью волновых поверхностей. Предположим, что внутри кристалла произошла световая вспыш­ка и во все стороны распространяются две волны: обыкновенная и необыкновенная. В некоторый момент времени их волновые по­верхности займут положения, изображенные на рис. (а — для положительных кристаллов, б — для отрицательных). Сферы соответствуют обыкновенным волнам, имеющим по всем направлениям одинаковую скорость υ₀; эллипсоиды — необыкновенным волнам, скорость υ_е которых зависит от направления. Вдоль опти­ческих осей ОО' скорость обыкновенной и необыкновенной волн одинакова и равна

где п₀ — показатель преломления обыкновенного луча, завися­щий от рода кристалла.

Для положительных кристаллов υ_е  υ_о, для отрицательных υ_e ≥υ_о. Наибольшее различие скоростей обыкновенная и необыкновенная волны имеют в направлениях, перпендикулярных оптической оси; для этих направлений вводят показатель преломления п_е необыкновенного луча. У исландского шпата (отрицательный кристалл) п_о = 1,6584, п_е = 1,4864; у кварца (положительный кристалл) п_о = 1,5442, п_е = 1,5533 (данные приведены для желтой линии натрия X = 589,3 нм).

Д воякопреломляющие кристаллы непосредственно не используются как поляризаторы, так как пучки обыкновенных и необыкновенных лучей слишком мало расходятся или даже перекрываются. Однако из этих кристаллов изготовляют специальные поляризационные призмы. Наиболее распространена призма Николя или просто николь (см. рис.).

Некоторые кристаллы (турмалин), а также искусственно полученные полимерные пленки имеют сильно различающийся коэффициент поглощения для света с различным направлением колебаний электрического вектора. Это явление называется линейным дихроизмом. Так, в пластинке турмалина толщиной около 1 мм обыкновенный луч практически полностью поглощается и вышедший свет плоскополяризован.

Из мелких кристалликов герапатита (сернокислый иод-хинин) выкладывают значительные площади на целлулоидной пленке. Для их ориентации используют электрическое поле. Такие устройства (поляроиды) могут работать как поляризаторы (анализаторы).

Основным недостатком турмалина и поляроидов по сравнению с николем являются их плохие спектральные характеристики. Белый свет после прохождения этих поляризационных устройств становится окрашенным, в то время как николь прозрачен в видимой части спектра. Достоинство поляроидов — большая поверхность, что позволяет использовать широкие световые пучки.