1. Поляризация света при отражении от поверхности диэлектрика.

При отражении от границы раздела двух диэлектриков свет всегда становится хотя бы частично поляризованным, если угол падения его не равен 0 или π/2. Существует такой угол падения β, при котором отраженный луч полностью поляризован. Этот угол удовлетворяет следующему условия:

tg β= n,

где n- относительный показатель преломления двух сред,β – угол Брюстера.

Представленное выражение носит название закона Брюстера.

Если естественный свет от источника падает на поверхность диэлектрика под углом Брюстера( угол падения), то отраженный луч будет полностью поляризованным и при этом колебания вектора Е происходят перпендикулярно плоскости падения луча (рис.1.5).

Рис.1. 5. Поляризация света при отражении от поверхности диэлектрика.

2.Поляризация света при преломлении. Преломленный луч также является поляризованным, но всегда только частично, даже при падении луча под углом полной поляризации. При падении естественного света под углом Брюстера интенсивность отраженного света меньше, чем интенсивность преломленного.

Как следует из формул Френеля^*, преломленный луч при падении света под углом Брюстера оказывается частично поляризованным. Так, у обычного стекла степень поляризации преломленного света составляет 15%. При других углах падения доля поляризованного света в преломленном луче будет ещё меньше.

Если преломленный луч подвергнуть второму, третьему и последующим преломлениям, то степень поляризации преломленных лучей возрастает. Стопа из 10-15 стеклянных пластинок почти полностью поляризует свет, падающий на неё под углом Брюстера. Такая система называется стопой Столетова.

3.Поляризация при двойном лучепреломлении.

Почти все прозрачные диэлектрики оптически анизотропны, то есть свойства света при прохождении через них зависят от направления. Физическая природа анизотропии связана с особенностями строения молекул диэлектрика или особенностями кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы или ионы.

^{____________________________________________ *}Формулы Френеля для интенсивности света, отраженного от границы раздела двух диэлектриков , где θ₁ и θ₂ –углы падения и преломления света, I_0┴ и I_0|| - интенсивности падающего света с плоскостью поляризации перпендикулярной и параллельной плоскости падения света; I_┴ и I_|| - аналогичные интенсивности для отраженного света. Вследствие анизотропии кристаллов при прохождении через них света возникает явление, называемое двойным лучепреломлением. Оно заключается в том, что свет, падающий на кристалл, преломляясь, создает не один преломленный луч, как в изотропных средах, а два, идущие в общем случае в различных направлениях и с разными скоростями. Явление двойного лучепреломления наблюдается для одноосных и двухосных кристаллов.

У одноосных кристаллов один из преломленных лучей подчиняется обычному закону преломления. Его называют обыкновенным. Другой луч называется необыкновенным, он не подчиняется обычному закону преломления. Даже при нормальном падении светового пучка на поверхность кристалла необыкновенный луч может отклоняться от нормали. Как правило, необыкновенный луч не лежит в плоскости падения. Если через такой кристалл посмотреть на окружающие предметы, то каждый предмет будет раздваиваться. При вращении кристалла вокруг направления падающего луча обыкновенный луч остается неподвижным, а необыкновенный будет двигаться вокруг него по окружности.

К одноосным кристаллам относятся, например, кристаллы кальцита или исландского шпата (СаСО₃). Кристалл исландского шпата представляет собой разновидность кальцита, который кристаллизуется в виде ромбоэдра. В одноосных кристаллах существует выделенное направление, вдоль которого обыкновенная и необыкновенная волна распространяются не разделяясь пространственно и с одинаковой скоростью. Направление, в котором не наблюдается двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла. Следует иметь в виду, что оптическая ось–это не прямая линия, проходящая через какую-то точку кристалла, а определенное направление в кристалле.Любая прямая, параллельная данному направлению, является оптической осью.

Любая плоскость, проходящая через оптическую ось кристалла, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла. Обычно пользуются главным сечением, проходящим через оптическую ось и световой луч в кристалле.

Исследование обыкновенного и необыкновенного лучей показывает, что оба луча полностью плоскополяризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Колебания вектора напряженности электрического поля (Е) в обыкновенной волне совершаются в направлении, перпендикулярном главному сечению кристалла для обыкновенного луча. В необыкновенной волне колебания вектора напряженности совершаются в плоскости, совпадающей с главным сечением для необыкновенного луча.

На рис.1. 6 показаны направления колебаний вектора Е в обоих лучах. Предполагается, что оба луча и пересекающая их оптическая ось  лежат в плоскости рисунка. Из рисунка видно, что в данном случае плоскости колебаний обыкновенного и необыкновенного лучей взаимно перпендикулярны. Такая ситуация наблюдается практически при любой
Рис.1.6.о-обыкновенный луч,
е- необыкновенный луч.
ориентации оптической оси, поскольку угол между обыкновенным и необыкновенным лучами очень мал.

На выходе из кристалла оба луча отличаются друг от друга только направлением поляризации, так что названия «обыкновенный» и «необыкновенный» имеют смысл только внутри кристалла.

Двойное лучепреломление объясняется анизотропностью кристаллов. В кристаллах некубической системы диэлектрическая проницаемость ε оказывается зависящей от направления. В одноосных кристаллах ε в направлении оптической оси и в направлениях, перпендикулярных к ней, имеют различные значения ε _{| |} и ε _┴. В других направлениях ε имеет промежуточные значения. Как известно, показатель преломления . Следовательно, из анизотропности вытекает, что электромагнитным волнам с различными ε направлениями колебаний вектора Е соответствуют разные значения показателя преломления . Поэтому скорость световых волн зависит от направления колебаний светового вектора Е. В обыкновенном луче колебания светового вектора происходят в направлении, перпендикулярному к главному сечению кристалла, поэтому при любом направлении обыкновенного луча Е образует с оптической осью кристалла прямой угол и скорость световой волны будет одна и та же, равная .

Одноосные кристаллы характеризуются показателем преломления обыкновенного луча, равным , и показателем преломления необыкновенного луча, перпендикулярного к оптической оси, равным . Последнюю величину называют просто показателем преломления необыкновенного луча. Для исландского шпата , . Значения  и  зависят от длины волны.

С точки зрения принципа Гюйгенса при двойном лучепреломлении в каждой точке поверхности волны, достигающей грани кристалла, возникает не одна, как в обычных средах, вторичная волна, а одновременно две волны, которые и распространяются в кристалле. Скорость распространения обыкновенной волны по всем направлениям одинакова. Скорость распространения необыкновенной волны в направлении оптической оси совпадает со скоростью обыкновенной волны, а по другим направлениям отличается.

4.Поляризация света с использованием дихроизма Существуют кристаллы, в которых один из лучей, обыкновенный или необыкновенный, поглощается сильнее другого. Это явление называется дихроизмом. К таким веществам, в частности, относится кристалл турмалина. В нем обыкновенный луч полностью поглощается на длине около 1 мм.

Свойством дихроизма обладают также кристаллы сульфата йодистого хинина (герапатита). В настоящее время изготавливают целлулоидную плёнку, на которую осаждают кристаллики герапатита, ориентированные в одном направлении. Такая плёнка называется поляроидом и представляет собой поляризатор, дающий возможность получать широкие пучки поляризованного света.

5.Поляризация света при искусственной анизотропии. В однородном веществе свет распространяется по всем направлениям с одной скоростью. Постоянны и другие физические свойства - твердость, упругость, теплопроводность., что определяет изотропность материала. Если же к пластине такого материала приложить внешнее воздействие - сжать ее или изогнуть, - в нем возникнут деформации и появятся выделенные направления. Свойства вещества вдоль этих направлений и поперек них станут неодинаковыми, возникнет анизотропия. Световой луч в таком веществе расщепится на два, и двигаться они станут с разными скоростями. Более того: они будут поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях и взаимодействовать не будут. И для обычного, и для поляризованного света ничего не изменится: суммарная интенсивность двух лучей останется прежней. Но анализатор, стоящий после пластины, "вырежет" из них две волны, колеблющиеся в одной плоскости. А поскольку их породил один исходный луч, волны станут интерферировать. Малейшие изменения толщины пластинки и величины деформации в ней приводят к возникновению разности хода волн. Появится разноцветная картина, подобная той, что бывает на поверхности воды с пленкой масла или бензина. Ее можно наблюдать при помощи сделанных приборов. Сильной анизотропией обладает целлофан. Этот упаковочный материал делают из вискозы, продукта переработки древесины. При изготовлении целлофановая пленка сильно растягивается, выстраивая цепочками длинные органические молекулы. Кусочки целлофана с пачки сигарет складывают вместе, ориентируя их в разных направлениях, и помещают между поляроидами. Прозрачная пленка окрасится в различные цвета. При повороте одного из поляризаторов цвета будут меняться на дополнительные: красный сделается зеленым, синий - желтым и наоборот. В поляризованном свете становятся видны напряжения в линейках, коробках и корпусах шариковых ручек из прозрачной пластмассы. В куске стекла, сжатом пассатижами, появятся цветные полосы, которые исчезают после снятия нагрузки. А в закаленном стекле, которое стоит в окнах автомобилей и вагонов, эти напряжения сохраняются и бывают заметны в виде многочисленных радужных пятен. Поляризационные методы позволяют увидеть, как будет вести себя деталь при работе. Из органического стекла вырезают плоскую модель спроектированной детали и подвергают нагрузке, аналогичной реальной. Цветные полосы будут тем тоньше и расположатся тем гуще, чем выше концентрация напряжений; они укажут на области, с которых начнется разрушение детали.

Закон Малюса. Одноосные кристаллы используются для изготовления поляризаторов (призмы Николя, Глана–Томсона и др.) – приборов, служащих для преобразования света

произвольной поляризации (и в первую очередь естественного) в линейно поляризованный. Плоскость, в которой колеблется световой вектор Е, прошедшей через

поляризатор волны, называют плоскостью пропускания поляризатора, либо просто плоскостью поляризатора.

Поляризационные призмы – это довольно дорогие и трудоёмкие в изготовлении приборы. Во многих приложениях оптики для получения линейно поляризованного света широко используют более доступные приборы – поляроиды. Их действие основано на явлении дихроизма, которое заключается в том, что коэффициент поглощения кристалла неодинаков для обыкновенного и необыкновенного лучей. Если в целлулоидную пленку ввести одинаково

ориентированные кристаллики герапатита, то получится поляризатор, который называется поляроидом.

Пусть на поляризатор падает линейно поляризованный пучок света интенсивностью I₁. Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, определяется законом Малюса:

I₂=I₁cos² γ,

где γ – угол между направлением колебаний в падающем свете и плоскостью пропускания поляризатора. Если на поляризатор падает пучок естественного света, то

интенсивность в прошедшем пучке будет вдвое меньше. Пусть на пути естественного света расположено два поляризатора, плоскости пропускания которых составляют угол γ. Второй поляризатор, используемый для исследования состояния

поляризации света, называется анализатором. Интенсивность света, прошедшего через эту систему, без учёта потерь на поглощение, определяется законом Малюса: I₂=1/2(I₀cos² γ). Если γ = 0, то интенсивность прошедшего света максимальна. При этом говорят, что поляризатор и анализатор установлены параллельно. При скрещенных поляризаторах их плоскости пропускания взаимно перпендикулярны, и свет через такую

систему не проходит.