Лекция 19.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА.

19.1. Естественный и поляризованный свет.

Согласно теории Максвелла свет представляет собой электромагнитные волны. Вектор напряженности электрического поля и вектор напряженности магнитного поля взаимно перпендикулярны и лежат в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны (рис.19.1).

Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора - вектора

напряженности

электрического поля (это называние обусловлено тем, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества).

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая тело в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора (рис. 19.2, а; луч перпендикулярен плоскости рисунка). В данном случае равномерное распределение векторов объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов и одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора (и следовательно, ) называется естественным.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное!) направление колебаний вектора (рис. 19.2, б), то имеет дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор (и следовательно, ) колеблется только в одном направлении, перпендикулярно лучу (рис. 19.2, в), называется плоско-поляризованным (линейно-поляризованным).

П

Рис 19.2

лоско-поляризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света - света, для которого вектор (вектор ) изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпендикулярной лучу. Если эллипс поляризации вырождается в прямую (при разности фаз j , равной нулю или p ), то имеем дело с рассмотренным выше плоскополяризованным светом.

Степенью поляризации называется величина

(19.1)

где I_max и I_min - максимальная и минимальная интенсивности света, соответствующие двумя взаимно перпендикулярным компонентам вектора . Для естественного света I_max = I_min и P=0, для плоско-поляризованного I_min=0 и P=1.

Естественный свет можно преобразовать в плоско-поляризованный, используя так называемые поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направления . Из природных кристаллов, давно используемых в качестве поляризатора, следует отметить турмалин. На рис.19.3 пластинка Т₁ - поляризатор, а вторая - Т₂ служит анализатором. При таком расположении после Т₁ и Т₂ интенсивность света равна нулю; а после Т₁ получен плоско-поляризованный свет.

Рис 19.3

19.2 Двойное лучепреломление

Как уже показано выше, в опыте с турмалином поляризованный свет удается получить из естественного света при пропускании его через анизотропные среды. Этими свойствами, кроме турмалина, обладают и некоторые другие кристаллы. Если кристалл анизотропен, то его диэлектрическая проницаемость по координатным осям (например, e_x и e_y) могут быть различными (рис. 19.4).

Различными будут и показатели преломления, т.к. по теории Максвелла при магнитной проницаемости m ,равной единице

Если в вакууме или однородной среде распределяются два луча, векторы напряженности которых взаимно перпендикулярны, то при падении на анизотропный кристалл они преломятся под разными углами и пространственно разойдутся.

Рис. 19.4 Это явление носит название двойного лучепреломления. Оба луча будут иметь различные скорости распространения .

Один из этих лучей называется обыкновенным, а другой необыкновенным. Обозначаются соответственно о и е.

Если в кристалле есть направление, где u_x и u_y одинаковы, кристалл называется одноосным, а это направление оптической осью кристалла.

На рис. 19.5. показан ход лучей в случае, когда грань кристалла перпендикулярна оптической оси АА₁ и в случае, когда грань кристалла не перпендикулярна ей..

Как видно из рисунка, если грань кристалла не перпендикулярна оптической оси АА', то нормально падающий естественный свет расщепляется на два луча О и Е (обыкновенный и необыкновенный). Они отличаются тем, что поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Точка и черточка показывают плоскость колебаний вектора .

19.3. Закон Малюса. Закон Брюстера.

Изобразим поляризатор в виде пластинки со штриховкой, параллельной плоскости колебаний пропускаемых поляризатором лучей. Интенсивность вышедшего через поляризатор света будет равна 1/2 интенсивности естественного света.

Для анализа поляризованного света поставим на его пути вторую такую же пластину, называемую анализатором. Если плоскости пропускания анализатора и поляризатора перпендикулярны друг к другу, то свет из анализатора не выйдет (рис. 19.3).

Предположим, что через поляризатор прошла составляющая светового вектора . Плоскость анализатора повернута относительно плоскости поляризатора на угол a (рис. 19.6).

Разложим Е₀ на две составляющие: параллельную плоскость анализатора Е₂ и перпендикулярную к ней Е₁. Через анализатор пройдет составляющая Е₂. Из рис. 19.6 видно, что Е₂=Е₀*cosa. Отношение интенсивностей пропорционально отношению квадратов амплитуд

Рис. 19.6

, и следовательно,

(19.2).

Уравнение (19.2) выражает закон Малюса: интенсивность света, прошедшего через анализатор, равна интенсивности света, прошедшего через поляризатор, умноженной на квадрат угла между плоскостями поляризатора и анализатора.

Явление поляризации света имеет место при отражении и преломлении света на границе двух диэлектриков. Отраженные и преломленные лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания светового вектора , перпендикулярные к плоскости падения луча, а в преломленном - параллельные плоскости падения. Степень поляризации света зависит от угла падения. При угле падения удовлетворяющем условию

tga = n_2-1, (19.3)

отраженный луч полностью поляризован, а преломленный - частично. Это уравнение выражает закон Брюстера. При угле Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (рис.19.7).

Действительно,

Поляризация света при отражении и преломлении на границе диэлектрика объясняется взаимодействием света с веществом.

4. Поляризационные призмы и поляроиды.

В основе работы поляризационных приспособлений, служащих для получения поляризационного света, лежит явление двойного лучепреломления. Наиболее часто для этого применяются призмы и поляроиды.

Поляризационные призмы построены по принципу полного отражения одного из лучей (например, обыкновенного) от границы

раздела, в то время как другой луч с другим показателем преломления проходит через эту границу. Типичным представителем поляризационных призм является призма Николя, называемая часто николем. Призма Николя представляет собой двойную призму из исландского шпата, склеенную канадским бальзамом.

В анизотропном кристалле поглощение света зависит от ориентации плоскости поляризации, т.е. обыкновенные и необыкновенные лучи поглощаются по-разному. Это явление называется дихроизмом. Пластина турмалина толщиной 1 мм практически полностью поглощает обыкновенные лучи и свет, проходящий сквозь нее, оказывается линейно поляризованным. Дихроичные кристаллы применяются для изготовления поляроидов. Пример поляроида -тонкая пленка из целлулоида, в которую вкраплены кристаллики герапатита (сернокислый иод-хинин). Герапатит с очень сильным дихроизмом в области видимого света, при толщине 0,1 мм полностью поглощает обыкновенные лучи.

19.5 Вращение плоскости поляризации

Некоторые вещества, их называют оптически активными, вращают плоскость поляризации поляризованного света на определенный угол. Амплитуда колебаний при этом не изменится. Это кварц, сахар, скипидар, никотин. Они могут быть правовращающие и левовращающие. Вращение плоскости колебаний поляризованного света обусловлено особенностями структуры молекул- ассиметричным строением, не имеющим ни центра симметрии, ни плоскости симметрии.

Угол поворота плоскости пропорционален толщине слоя вещества l и, если это раствор, концентрации раствора c, т.е.

, где

[a] - удельная постоянная вращения, зависящая от природы вещества температуры и длины волны света в вакууме.

Свойство вращения плоскости поляризации применяется в приборах называемых поляриметрами.