5.4.2. Поляризация при отражении и преломлении

Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков, не равен нулю, то отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, а в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения (рис.5.27). Степень поляризации зависит от угла падения . При угле падения, удовлетворяющем условию

, (5.60)

где - показатель преломления второй среды относительно первой, отраженный луч полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения (рис. 5.28).

Степень поляризации преломлен- ного луча при достигает наибольшего значения, а угол между отраженным и преломленным лучами становится равным . Соотношение (5.60) носит название закона Брюстера.

Если преломленный луч пропустить через систему, состоящую из 8 10, наложенных друг на друга, пластинок, называемых стопой Столетова, подбирая показатели преломления пластин таким образом, чтобы каждый раз выполнялся закон Брюстера, то вышедший из такой системы свет будет практически полностью поляризованным.

5.4.3. Поляризация при двойном лучепреломлении

При прохождении света через прозрачные анизотропные кристаллические диэлектрики с некубической решеткой наблюдается явление двойного лучепреломления, которое заключается в том, что световой луч разделяется на два: обыкновенный и необыкновенный (рис. 5.29).

Обыкновенный луч удовлетво- ряет обычному закону преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью. Для необыкновенного луча отношение не остается постоянным при изменении угла падения , и не лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности.

Анизотропными называются кристаллы, у которых физические свойства (такие, например, как скорость света, показатель преломления и т.д.) различны в различных направлениях. Анизотропные кристаллы делятся на одноосные и двуосные.

У одноосных кристаллов имеется направление, вдоль которого обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются не разделяясь и с одинаковой скоростью. Это направление называется оптической осью кристалла.

Любая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением кристалла. Обычно главное сечение проводят через оптическую ось и световой луч. К одноосным кристаллам относятся исландский шпат, турмалин, кварц.

Обыкновенный и необыкновенный лучи в одноосных кристаллах полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях (рис.5.29). Плоскость колебаний обыкновенного луча перпендикулярно главному сечению. В необыкновенном луче колебания вектора совершаются в плоскости, совпадающей с главным сечением.

В двуосных кристаллах (слюда, гипс и др.) существует два направления, вдоль которых не существует двойного лучепреломления. Под главным сечением в двуосных кристаллах понимают плоскость, проходящую через обе оптические оси. Оба луча полученные при двулуче- преломлении, являются необыкновенными.

Д войное лучепреломление объясняется анизотропией кристал- лов, в частности, зависимость от направления обнаруживает диэлектрическая проницаемость , а следовательно и показатель преломления n, так как . В одноосных кристаллах  в направлении оптической оси и в направлениях, перпендикулярных к ней, имеет различные значения: _{| |} и _. В других направлениях  имеет промежуточные значения (рис. 5.30). Таким образом из анизотропии  вытекает, что электромагнитным волнам с разными направлениями колебаний вектора соответствуют различные значения показателя преломления n.

Поэтому скорость световых волн в кристалле будет зависеть от направления колебаний светового вектора , то есть от угла  между направлением колебания и оптической осью кристалла.

Так как в обыкновенном луче колебания светового вектора происходят в направлении, перпендикулярным главному сечению, то при любом направлении распростране- ния обыкновенного луча (1, 2 или 3) (рис.5.31) вектор образует с оптической осью кристалла прямой угол и скорость световой волны будет одна и та же, равная . Изображая скорость обыкновенного луча в виде отрезков, отложенных по разным направлениям, получим сферическую поверхность, которая представляет собой волновую поверх- ность обыкновенных лучей в кристалле, если точечный источник в кристалле помещен в точке O.

В необыкновенном луче колебания совершаются в главном сечении. Поэтому для разных лучей направление колебаний вектора образуют с оптической осью разные углы  (рис.5.32). Для луча 1 , поэтому скорость . Для луча 2 угол и скорость . Для луча 3 скорость имеет промежуточное значение.

Рис.5.31 Рис.5.32

Таким образом, волновая поверхность необыкновенных лучей представляет собой эллипсоид вращения. В точках пресечения с оптической осью кристалла волновые поверхности обыкновенных и необыкновенных лучей (сфера и эллипсоид) соприкасаются и в зависимости от того, какая из скоростей, или больше, различают положительные (рис. 5.33) и отрицательные анизотропные кристаллы (рис.5.34).

Зная вид волновых поверхностей, можно с помощью принципа Гюйгенса определить направление обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле. На рис. 5.35 построения выполнены для трёх случаев нормального падения света на поверхность положительного анизотропного кристалла, отличающихся направлением оптической оси кристалла (ось показана пунктиром).

Рис.5.35

Устройство в котором необыкновенный луч можно отделить от обыкновенного, называется призмой Николя. Она состоит из двух прямоугольных призм (рис.5.36) изготовленных из исландского шпата, и склеенных по грани BC канадским бальзамом.

с

Рис. 5.36

Углы призм подобраны так, чтобы необыкновенный луч проходил сквозь призму практически не преломляясь, а обыкновенный луч на границе канадского бальзама испытывал полное внутренние отражение. Это возможно потому, что показатель преломления исландского шпата для обыкновенного луча больше показателя преломления канадского бальзама.

C