§ 3 Двойное лучепреломление

Все кристаллы, кроме кристаллов кубической система —  изотропных кристаллов, являются анизотропными, то есть свойства кристаллов зависят от направления. Явление двойного лучепреломления впервые было обнаружено Барталином в 1667 г. на кристалле исландского шпата (разновидность СаСО₃). Явление двойного лучепреломления заклю­чается в следующем: луч света, падающий на анизотропный кристалл,  разделяется в нем на два луча: обыкновенный и необыкновенный, распространяющиеся с разными скоростями  в различных направлениях.

Анизотропные кристаллы подразделяются на одноосные и двуосные.

У одноосных кристаллов имеются одно направление, называемое оптической осью, при распространении вдоль которого не происходит разделения на обыкновенный и необыкновенный лучи.  Любая прямая параллельная направлению оптической оси будет также являться оптической осью. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главным сечением или главной плоскостью кристаллам.

Отличия между обыкновенными и необыкновенными лучами:

1. обыкновенный луч подчиняется законам преломления необыкновенный - нет;

2. обыкновенный луч поляризован перпендикулярно главной плоскости, плоскость поляризации необыкновенного луча перпендикулярна плоскости поляризованного обыкновенного луча;

3. кроме оптической оси обыкновенные и необыкновенные лучи распространяются в разных направлениях. Показатель преломления n₀ обыкновенного луча постоянен во всех направлениях, следовательно, фазовая скорость обыкновенного луча постоянна во всех направлениях. Показатель преломления  n_е  необыкновенного луча (U_ф.е.) зависит от направления.

Различие скоростей U_о и U_е для всех направлений, кроме направ­ления оптической оси, обуславливает явление двойного лучепреломления в одноосных кристаллах. У двуосных кристаллов имеется два направления, вдоль которых не происходит двойного лучепреломления.

Понятие обыкновенного и необыкновенного лучей имеет место пока эти лучи распространяются в кристалле, при выходе из кристалла эти понятия теряют смысл, то есть лучи отличаются только плоскостями поляризаций.

Природа двулучепреломления связана с тем, что обыкновенные и необыкновенные лучи имеют разные скорости, а так как   , то для обыкновенного и необыкновенного лучей будут разные показатели преломления n₀ и n_е, а так как  то можно сказать, что перво­причиной двойного лучепреломления является анизотропия диэлектрич­еской проницаемости кристалла. Кристаллы, у которых V_е  < V₀ (n_е > n₀) называются положительными, а у которых V_е  > V₀ ( n_е < n₀)называются отрицательными.

Наиболее просто поляризационный свет можно получить из естественного света при отражении световой волны от границы раздела двух диэлектриков.

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлек­триков (например, воздух-стекло), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде.

Закон Брюстера:

При угле падения, равном углу Брюстера і_Бр: 1. отраженный от границы раздела двух диэлектриков луч будет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения; 2. Степень поляризации преломленного луча достигает максимального значения меньшего единицы; 3. Преломленный луч будет поляризован частично в плоскости падения; 4. Угол между отраженным и преломленным лучами будет равен 90°; 4. Тангенс угла Брюстера равен относительному показателю преломления

- закон Брюстера.

n₁₂ - показатель преломления второй среды относительно первой. Угол падения (отражения) - угол между падающим (отраженным) лучом и нормалью к поверхности. Плоскость падения - плоскость, проходящая через падающий луч и нормаль к поверхности.

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена многократным преломлением при условии падения света на границу раздела под углом Брюстера. Если для стекла (n = 1,53) степень поляризации преломленного луча составляет ≈15 %, то после преломления на 8-10 наложенных друг на друга стеклянных пластинках, вышедший свет будет практически полностью поляризован - стопа Столетова.

Поляризованный свет можно получить из естественного с помощью поляризаторов - анизотропных кристаллов, пропускающих свет только в одном направлении (исландский шпат, кварц, турмалин).

Поляризатор, анализирующий в какой плоскости поляризован свет, называется анализатором.

Если на анализатор падает плоско поляризованный свет амплитудой Е₀ и интенсивности I₀ ( ), плоскость поляризации которого составляет угол φ с плоскостью анализатора, то падающее электромагнитное колебание можно разложить на два колебания; с амплитудами и , параллельное и перпендикулярное плоскости анализатора.

Сквозь анализатор пройдет составляющая параллельная плоскости анализатора, то есть составляющая , а перпендикулярная составлявшая будет задержана анализатором. Тогда интенсивность прошедшего через анализатор света будет равна ( ):

- закон Малюса

Закон Малюса: Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, прямо пропорциональна произведению интенсивности падающего плоско поляризованного света I₀ и квадрату косинуса угла между плоскостью падающего света и плоскостью поляризатора.

Если на поляризатор падает естественный свет, то интенсивность вышедшего из поляризатора света I₀ равна половине I_ест, и тогда из анализатора выйдет

Поляризация света при отражении и преломлении

Поляризованный свет можно получить, используя отражение или преломление света от диэлектрических изотропных сред (например, от стекла). Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков отличен от нуля, отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рис. 5.9 эти колебания обозначены точками), в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения (на рис. 5.9 они изображены двусторонними стрелками).

Степень поляризации того и другого луча зависит от угла падения луча. У каждой пары прозрачных сред существует такой угол падения, при котором отраженный свет становится полностью плоскополяризованным, а преломленный луч остается частично поляризованным, но степень его поляризации при этом угле максимальна (рис. 5.10). Этот угол называется углом Бpюстеpа. Угол Брюстера определяется из условия

,

где – относительный показатель преломления двух сред. Можно показать, что при падении волны под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны.

Таким образом, пластинка диэлектрика сортирует лучи естественного света, отражая преимущественно лучи с одним направлением колебаний и пропуская перпендикулярные колебания.

Рис. 5.11а

Рис. 5.11б

Закон Брюстера может быть использован для изготовления поляризатора. В этом случае используют не отраженный, а преломленный луч, хотя он и не полностью поляризован. Чтобы получить высокую степень поляризации преломленного луча, его пропускают через стопу стеклянных пластинок: после прохождения каждой следующей пластинки стопы степень поляризации преломленного луча увеличивается. При достаточно большом числе пластинок проходящий через эту систему свет будет практически полностью плоскополяризованным, а интенсивность прошедшего света в отсутствие поглощения будет равна половине интенсивности падающего на стопу естественного света.

Основными источниками поляризованного света в окружающей нас среде являются такие яркие горизонтальные поверхности как водная гладь, мокрый асфальт (рис. 5.11а), снег, лед (рис. 5.11б), стеклянные поверхности (рис. 5.11в). По характеру воздействия на глаз или фотоплёнку плоскополяризованный свет ничем не отличается от неполяризованного.

Рис. 5.11в

Этот свет создает оптические помехи, приводит к ухудшению видимости при рыбной ловле, вождении автомобиля.

Рис. 5.11г

Блики могут неожиданно возникнуть на дороге, заставая водителей врасплох, особенно на мокрой дороге весной или осенью, когда солнце находится низко над горизонтом (рис. 5.11г).

Скрыть объявление

ЛЕКЦИЯ 8

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА (продолжение)

Закон Малюса

Плоскополяризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами. Эти приборы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости,которая называется плоскостью пропускания поляриза­тора, и полностью или частично задерживают колебания, перпен­дикулярные к этой плоскости.

 

 

 

Рис.7-2

 

Свет, в котором колебания одного направления преобладают над колеба­ниями других направлений называется частично поляризованным. Его можно рассматривать как смесь естественного и плоскополяризованного. Такой свет получается при прохождении через стеклянную пластинку, или при отражении от нее.

Частично поляризованный свет, как и естественный, можно представить в виде наложения двух некогерентных плоскополяризованных волн с взаимно пер­пендикулярными плоскостями колебаний. Отличие заключается в том, что в случае естественного света интенсивность этих волн одинакова, а в случае частично поляризованного – разная.

7. Если пропустить частично поляризованный свет через поляри­затор, то при вращении прибора вокруг направления луча интен­сивность прошедшего света будет изменяться в пределах от I_mах до I_min. Причем переход от одного из этих значений к другому будет совершаться при повороте на угол, равный π/2 (за один полный поворот два раза будет достигаться максимальное и два раза мини­мальное значение интенсивности). Выражение

(7-3)

называется степенью поляризации. Для плоскополяризованного света I_min =0 и Р=1; для естественного света I_mах=I_min и Р=0.

К эллиптически-поляризованному свету понятие сте­пени поляризации не применимо (у такого света колебания пол­ностью упорядочены).

 

8. Пусть на поляризатор падает плоскополяризованный свет с ам­плитудлй А₀ и интенсивностью I₀ (рис. 7-3). Сквозь прибор пройдет составляющая колебания с амплитудой A=A₀ cosφ, где φ – угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поля­ризатора. Следовательно, интенсивность прошедшего света I опре­деляется выражением

(7-4)

Соотношение (7-4) носит название закона Малюса.

Рис.7-3

Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера.

 

Обозначим через θ_Бр угол, удовлет­воряющий условию

(7-6)

(n₁₂– показатель преломления второй среды относительно первой). При угле падения θ₁= θ_Бр,отраженный луч полностью поляризован.Он содержит только колебания, перпендикулярные к плоскости падения; степень поляризации преломленного луча при угле падения, равном θ_Бр, достигает наибольшего значения, однако этот луч остается поляризованным только частично.

Соотношение (7-6) носит название закона Брюстера, а угол θ_Бр называют углом Брюстера. При падении света под углом Брюстера отраженный и пре­ломленный лучи взаимно перпендикулярны.

 

Линейная поляризация света одно из проявлений поперечной по отношению к направлению распространения электромагнитных волн анизотропии, вследствие "поперечности" колебаний векторов напряжённости электрическогои магнитногополей волны, при которой отсутствует осевая симметрия волны по отношению к направлению её распространения. В результате поперечной анизотропии электромагнитной волны в пространстве появляются выделенные направления колебаний векторов и в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Свет, излучаемый отдельными атомами и молекулами среды (вещества), всегда полностью поляризован.

Степень поляризации того и другого луча зависит от угла падения луча. У каждой пары прозрачных сред существует такой угол падения, при котором отраженный свет становится полностью плоскополяризованным, а преломленный луч остается частично поляризованным, но степень его поляризации при этом угле максимальна. Этот угол называется углом Бpюстеpа. Угол Брюстера определяется из условия

 

где – относительный показатель преломления двух сред. Можно показать, что при падении волны под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Таким образом, пластинка диэлектрика сортирует лучи естественного света, отражая преимущественно лучи с одним направлением колебаний и пропуская перпендикулярные колебания.

Закон Брюстера может быть использован для изготовления поляризатора. В этом случае используют не отраженный, а преломленный луч, хотя он и не полностью поляризован. Чтобы получить высокую степень поляризации преломленного луча, его пропускают через стопу стеклянных пластинок: после прохождения каждой следующей пластинки стопы степень поляризации преломленного луча увеличивается. При достаточно большом числе пластинок проходящий через эту систему свет будет практически полностью плоскополяризованным, а интенсивность прошедшего света в отсутствие поглощения будет равна половине интенсивности падающего на стопу естественного света. Основными источниками поляризованного света в окружающей нас среде являются такие яркие горизонтальные поверхности как водная гладь, мокрый асфальт, снег, лед, стеклянные поверхности. По характеру воздействия на глаз или фотоплёнку плоскополяризованный свет ничем не отличается от неполяризованного.

Свет, как и любое электромагнитное излучение, состоит из распространяющихся колебаний электрического и магнитного полей, которые ориентированы под прямым углом друг к другу. Направление электрического поля определяет направление, в котором будет двигаться электрический заряд при прохождении электромагнитной волны. Поляризацией волны как раз и называетсянаправление электрического поля в волне.

Световые волны могут иметь линейную поляризацию (в этом случае колебания электрического поля происходят в фиксированной плоскости), круговую поляризацию (электрическое поле вращается подобно стрелке часов) или эллиптическую поляризацию (электрическое поле вращается, при этом его абсолютная величина зависит от направления). Закон Брюстера описывает линейную поляризацию света при отражении луча от поверхности. Согласно этому закону, при определенном угле падения свет полностью поляризуется параллельно отражающей поверхности, и величина этого угла зависит от свойств отражающего вещества. Угол падения, при котором происходит полная поляризация отраженного и преломленного света, называется углом Брюстера, и его тангенс равен коэффициенту преломления отражающего вещества. Даже при углах падения, заметно отличающихся от угла Брюстера, свет в значительной мере поляризуется, но в этом случае и для преломленного, и для отраженного луча характерна эллиптическая поляризация.

Коэффициент преломления света в веществеравен отношению скорости света в вакууме к скорости света в веществе. У обычного стекла, например, коэффициент преломления 1,5. Это означает, что свет, распространяющийся в вакууме со скоростью около 300 000 км/с, в стекле распространяется со скоростью всего лишь около 200 000 км/с. Следовательно, для стекла угол Брюстера, при котором происходит полная поляризация, составляет около 57°.

Вы наверняка встречались с явлением поляризации в быту. В частности, в наше время солнцезащитные очки часто делают антибликовыми, а достигается это благодаря тому, что в них вставлены поляризованные линзы. В солнечную погоду свет, отраженный от блестящих поверхностей (стекла, стали, воды), оказывается поляризованным преимущественно в горизонтальной плоскости (по закону Брюстера). А линзы антибликовых солнцезащитных очков пропускают только свет, поляризованный вертикально. Благодаря этому большинство бликов, отраженных от окружающих нас предметов, гасятся и не ослепляют нас.

Поляризация волн

Свойство поперечных волн – поляризация.

Поляризованной волной называется такая поперечная волна, в которой колебания всех частиц происходят в одной плоскости. Такую волну можно получить с помощью резинового шнура, если на его пути поставить преграду с тонкой щелью. Щель пропустит только те колебания, которые происходят вдоль нее.

Устройство, выделяющее колебания, происходящие в одной плоскости, называется поляризатором.

Устройство, позволяющее определить плоскость поляризации (вторая щель) называется анализатором.

Поляризация света

Опыт с турмалином – доказательство поперечности световых волн.

Кристалл турмалина – это прозрачный, зеленого цвета минерал, обладающий осью симметрии.

В луче света от обычного источника присутствуют колебания векторов напряженности электрического поля Е и магнитной индукции Ввсевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения световой волны. Такая волна называется естественной волной.

При прохождении через кристалл турмалина свет поляризуется. У поляризованного света колебания вектора напряженности Е происходят только в одной плоскости, которая совпадает с осьюсимметрии кристалла.

Поляризация света после прохождения турмалина обнаруживается, если за первым кристаллом (поляризатором) поставить второй кристалл турмалина (анализатор). При одинаково направленных осях двух кристаллов световой луч пройдет через оба и лишь чуть ослабнет за счет частичного поглощения света кристаллами.

Схема действия поляризатора и стоящего за ним анализатора: