2. Поляризация при отражении и преломлении

Действие поляризаторов основано либо на явлении поляризации света при отражении и преломлении на границе раздела двух изотропных диэлектриков, либо на явлении оптической анизотропии и связанного с ним двойного лучепреломления.

В оптически изотропной среде, т.е. среде, имеющей одинаковые оптические свойства во всех направлениях, колебания электронов в атомах под действием падающей волны совпадают с направлением колебаний вектора E ¹. Колеблющиеся электроны излучают вторичные волны, интенсивность которых зависит от направления и может быть представлена полярной диаграммой, такой как на рис. 5. Здесь длина радиуса-вектора r характеризует величину интенсивности в различных направлениях. Излучение вдоль линии колебаний электрона (линия AB) отсутствует.

Результатом интерференции вторичных волн, излучаемых электронами, является отраженный луч света в направлении OD₂ (рис. 6) и преломленный луч в направлении OD₃, определяемом законом преломления

sina/ sinb = n₂₁, где n₂₁ – относительный показатель преломления второй среды по отношению к первой. В других направлениях свет не распространяется вследствие взаимного гашения вторичных волн.

Рассмотрим случай, когда на границу раздела падает плоскополяризованная волна так, что вектор E лежит в плоскости падения (рис. 6). Колебания электронов под действием преломленной волны происходят вдоль линии AB, т.е. перпендикулярно OD₃. Если выбрать направление падающего луча так, чтобы преломленный и отраженный лучи составляли угол 90°, то в направлении OD₂ интенсивность отраженного света будет равна нулю, так как оно совпадает с направлением колебания электрона AB.

Обратимся теперь к случаю, когда вдоль D₁O падает естественный свет. Вектор E, как указывалось в разделе 1, можно разложим на две составляющие: одна составляющая - в плоскости падения, другая – в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Колебания, происходящие в плоскости падения в отраженном луче, согласно изложенному выше, будут полностью отсутствовать. Останутся лишь колебания, перпендикулярные плоскости падения. Другими словами, при соблюдении условия

(4)

отраженный свет будет плоско поляризованным. Это явление называют законом Брюстера, а угол падения a, при котором выполняется условие (4), - углом Брюстера (a_Бр). Поскольку sina/sinb = n₂₁, то

. (5)

Если условие (4) не выполняется, то отраженный от диэлектрика свет поляризован только частично. Свет, преломленный в диэлектрике, также частично поляризуется. Преимущественное направление колебаний вектора E в преломленном свете лежит в плоскости преломления луча. Максимальная поляризация преломленного света достигается при падении под углом Брюстера. На практике для увеличения степени поляризации света, выходящего из диэлектрика, используют стопу из нескольких диэлектрических пластинок, расположенных под углом Брюстера к падающему свету.

3. Поляризация при двойном лучепреломлении

Другой способ получения поляризованного света основан на явлении двойного лучепреломления в оптически анизотропных средах.Оптически анизотропными называют среды, оптические свойства которых зависят от направления распространения света. К оптически анизотропным относятся, в частности, все прозрачные кристаллы, за исключением имеющих кубическую решетку. Взаимное расположение частиц в анизотропных кристаллах и структура их таковы, что амплитуда колебания электронов под действием световой волны зависит от направления распространения волны внутри кристалла и характера ее поляризации. Вследствие этого интерференция вторичных волн, излучаемых электронами, приводит к тому, что луч света, падающий на поверхность анизотропного кристалла, раздваивается внутри него на два преломленных луча, которые в общем случае имеют различные направления (рис. 7). Это явление называют двойным лучепреломлением.

Кристаллы, обладающие двойным лучепреломлением, делятся на одноосные и двуосные. У одноосных кристаллов (исландский шпат, кварц, турмалин) один из преломленных лучей подчиняется обычным законам преломления и поэтому называется обыкновенным (луч о на рис. 7). Обыкновенный луч лежит в плоскости падения и показатель преломления для этого луча n_o (а значит, и скорость, V_o = c/n_o) не зависит от направления распространения его в кристалле. Второй луч называется необыкновенным ² (луч е на рис. 7). Показатель преломления для необыкновенного луча n_e зависит от направления в кристалле и в общем случае отличается от n_o. Кроме того, необыкновенный луч, как правило, не лежит в плоскости падения.

Д

Рис. 8

войное лучепреломление может возникать, вообще говоря, при любом угле падения луча на грань кристалла, в том числе при нормальном падении (рис. 8). Однако в каждом кристалле существует направление, в которомn_e = n_o (V_e = V_o) и двойное лучепреломление отсутствует. Любая прямая, проведенная в этом направлении, называется оптической осью кристалла, а плоскость, проходящая через луч и оптическую ось кристалла называется главной плоскостью кристалла для этого луча. На рис. 7 оптическая ось показана пунктирной линией О₁О₂.

Исследование обыкновенного и необыкновенного лучей показывает, что оба луча полностью поляризованы. Вектор E обыкновенного луча колеблется перпендикулярно к главной плоскости. На рис. 7 и 8 эти колебания показаны точками на соответствующем луче. Вектор E необыкновенного луча колеблется в главной плоскости. На рис. 7 и 8 эти колебания показаны стрелками.

Один из примеров поляризаторов, в которых используется явление двойного лучепреломления, является призма Николя, которая позволяет отделить необыкновенный луч от обыкновенного. Это достигается за счет полного внутреннего отражения обыкновенного луча. Из кристалла исландского шпата определенным образом выпиливают две призмы (рис. 9), которые склеивают канадским бальзамом (n_к.б. = 1,55). Оптическая ось ОО’ призмы составляет с входной гранью угол 48°. Падая на призму, луч естественного света раздваивается на два луча: обыкновенный (n_о=1,66) и необыкновенный (n_е=1.51). Так как n_e< n_к.б < n_o, то обыкновенный луч, падая на границу раздела «исландский шпат – канадский бальзам» под углом 76,5°, большим предельного, испытывает полное внутреннее отражение и поглощается зачерненной боковой поверхностью СВ. Необыкновенный луч свободно проходит через призму и выходит из нее поляризованным в главной плоскости.

Другим примером поляризаторов, в котором используется явление двойного лучепреломления, являются поляроиды. Их действие основано на анизотропии поглощения в кристаллах, которая состоит в том, что коэффициент поглощения неодинаков для обыкновенного и необыкновенного лучей и зависит от направления распространения света в кристалле. Это явление называется дихроизмом. Примером сильно дихроичного кристалла является турмалин, в котором коэффициент поглощения для обыкновенного луча во много раз больше, чем для необыкновенного. Пластинка турмалина толщиной в 1 мм практически полностью поглощает обыкновенный луч, так что свет, проходящий сквозь нее, оказывается плоско поляризованным. Еще более ярко выраженным дихроизмом обладают кристаллы герапатита. По сравнению с турмалином, размеры кристаллов герапатита невелики. Поэтому для получения поляризатора с необходимой площадью поверхности применяют целлулоидные пленки, в которые введено большое число одинаково ориентированных кристалликов герапатита. Такие пленки и называются поляроидами.