Поляризация света при отражении и преломлении

Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков оличен от нуля, то отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, в преломленном – колебания в плоскости падения (рис.30). При угле падения, удовлетворяющем условию

, (27)

Рис.30

(где - показатель преломления второй среды относительно первой) отраженный свет полностью плоско поляризован (рис.31).

Рис.31

Степень поляризации преломленного света при этом достигает максимального значения, однако он остается частично поляризованным. Формула (27) носит название закона Брюстера и угол носит название угла Брюстера. При выполнении условия Брюстера преломленный луч оказывается перпендикулярным к отраженному лучу. Физическая суть поляризации при отражении от диэлектрика заключается в возбуждении вынужденных колебаний электронов в атомах диэлектрика под воздействием падающей световой волны и излучающих вторичные волны. Выделим один и электронов и разложим его колебание на два колебания, одно из которых совершается в плоскости падения.(на рис.32 сплошная линия), другое перпендикулярно плоскости падения пунктирная линия.

Рис.32

Каждому из колебаний соответствует плоско-поляризованная световая волна. Колеблющийся заряд в большей степени излучает в направлениях, перпендикулярных к направлению колебаний, а в направлении колебаний не излучает. Сплошные и пунктирные лепестки изображают диаграммы направленности излучений соответствующих колебаний. Видно, что в направлении отраженного луча интенсивность излучения колебаний, происходящих перпендикулярно к плоскости падения, максимальна и достигает наибольшего значения при отражении под углом Брюстера. В падающем естественном свете интенсивность колебаний в различных направлениях одинакова. Энергия этих колебаний распределяется между отраженным и преломленным лучами. Если в отраженном луче преобладают колебания одного направления, то в силу сохранения энергии, в преломленном луче более интенсивными должны быть колебания другого направления. Отсюда следует, что преломленный свет поляризован частично.

Степень поляризации преломленного луча можно увеличивать путем много кратного отражения и преломления. На рис.33 изображена стопа Столетова, состоящая из ряда параллельных пластинок, ориентированных под углом Брюстера к падающему лучу.

Рис.33

На каждой границе частично отражаются лучи, поляризованные только в плоскости падения, и в результате многократных преломлений выходящий из стопы луч практически оказывается полностью плоско- поляризованным в плоскости падения.

Поляризация света при двойном лучепреломлении

При прохождении естественного света через некоторые кристаллы, падающий луч, разделяется на два плоско-поляризованных луча. Отсюда и возник термин двойное лучепреломление. Это явление впервые описал Эразм Бартоломинус (1669) (1625-1698). Он наблюдал это явление на кристалле исландского шпата.

Двойное лучепреломление объясняется анизотропией показателя преломления кристалла. Если кристалл анизотропен, то его диэлектрическая проницаемость по разным направлениям, например, по осям х и y могут быть различными, различными будут и показатели преломления и для лучей, поляризованных вдоль координатных осей с электрическими векторами Е_х и Е_у. Если в вакууме оба луча распространялись совместно, то попадая в кристалл, они преломятся под разными углами и пространственно разойдутся. Оба луча будут распространяться с разной скоростью и , соответственно, пройдут различные оптические пути.

При двойном лучепреломлении один из лучей удовлетворяет обычному закону преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью. Этот луч называется обыкновенным и обозначается буквой о. Другой луч, называемый необыкновенным и обозначаемый буквой е, не подчиняется закону преломления света: отношение не остается постоянным при изменении угла падения и не лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью (рис.34а) Если на пластинку падает естественный свет по нормали к поверхности (рис.34б ), то он расщепится на два луча.

Рис.34

Обыкновенный луч пройдет через кристалл, не преломляясь, т.е. не изменяя своего направления. Необыкновенный луч внутри кристалла отклонится и по выходе идет параллельно обыкновенному лучу. При вращении пластинки вокруг обыкновенного луча обыкновенный луч останется на месте, необыкновенный вращается вокруг него, описывая внутри кристалла конус, вне кристалла – цилиндр.

Явление двойного лучепреломления наблюдается у всех прозрачных кристаллов, за исключением кристаллов кубической системы. В так называемых одноосных кристаллах имеется одно направление в кристалле, в котором не происходит двойного лучепреломления. Это направление называется оптической осью кристалла. Кристалл исландского шпата является одноосным кристаллом. В двуосных кристаллах имеются две оптические оси (например, слюда, гипс). В одноосных кристаллах один из лучей обыкновенный, другой необыкновенный. В двуосных кристаллах оба луча являются необыкновенными.

Любая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением кристалла. Обычно пользуются главным сечением проходящим через падающий луч. Опыт показывает, что обыкновенный и необыкновенный лучи полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях: плоскость колебаний обыкновенного луча всегда перпендикулярна к главному сечению кристалла, поэтому его показатель преломления не меняется при падении естественного света на кристалл под любым углом. В необыкновенном луче колебания совершаются в плоскости главного сечения, ориентация которой зависит от направления падающей световой волны: показатель преломления необыкновенного луча изменяется в зависимости от угла падения. По выходе из кристалла лучи отличаются только направлением колебаний светового вектора.

Чтобы двоякопреломляющий кристалл использовать для получения поляризованного света, один из лучей следует удалить. В некоторых кристаллах обыкновенный и необыкновенный лучи поглощаются в разной степени. Это явление называется оптическим дихроизмом. В кристалле турмалина дихроизм настолько высок, что необыкновенный луч практически полностью поглощается на пути 1 мм. Естественный луч выходит из пластинки такого кристалла полностью плоско-поляризованным в одной плоскости. Такая пластинка будет поляризатором. Большое распространение как поляризатор находит поляроид – целлулоидная пленка, в которую введено большое количество одинаково ориентированных кристалликов сульфата иодистого хинина (герапатита), в которых один из лучей поглощается на пути около 0,1 мм.

В оптических приборах широкое применение получил поляризатор, называемый призмой Николя (или просто николем). Она представляет собой призму из монокристалла исландского шпата, разрезанную по диагонали и склеенную канадским бальзамом (добывается из смолы канадской пихты). Показатель преломления канадского бальзама лежит между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Угол падения подбирается таким, что обыкновенный луч на слое бальзама испытывает полное внутреннее отражение, а необыкновенный свободно проходит через этот слой и выходит из призмы (рис.35).

Рис.35