3.2. Методы получения поляризованного света. Закон Брюстера

Устройства, служащие для преобразования естественного или частично поляризованного света в плоско-поляризованный свет, называются поляризаторами. Их действие основывается на использовании поляризации света при отражении и преломлении света на границе раздела двух прозрачных изотропных диэлектриков, либо на явлении двойного лучепреломления в одноосных кристаллах.

Поляризация света при отражении от поверхности диэлектрика

Если угол падения луча света на поверхность диэлектрика (на­пример, стекла) не равен нулю, то отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преоблада­ют колебания вектора , перпендикулярные к плоскости падения (на рис. 3.2 следы векторов изображены точками). В преломленном луче преобладают колебания вектора , параллельные плоскости падения луча (на рис. 3.2 изображе­ны стрелками).

В естественном падающем луче интенсивность колебаний различных направлений одина­кова. Энергия этих колебаний одинакова. Она распределяется между отраженной и преломленной волной. Однако степень поля­ризации оказывается раз­личной в отраженном и прелом­ленном лучах и зависит от угла падения лучей и показа­теля преломления диэлектрика. Шотландский физик Д. Брюстер устано­вил, что при угле падения i_Б , называемом углом Брюстера, отражён­ный луч является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения). Преломленный же луч при угле падения i_Б оказывается частично поляризованным (в нем преоблада­ют колебания, лежащие в плоскости падения луча). Угол Брюстера удовлетворяет соотношению, называемому законом Брюстера

tgi_Б = n₂₁ , (3.2)

где n₂₁ = n₂/n₁  показатель преломления второй среды относительно первой.

Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (i + r = π/2). Действительно, из закона преломления света следует, что

.

Таким образом, стеклянная пластинка или любой другой изотропный диэлектрик мо­гут служить поляризаторами, если на них падает луч естественного света под углом Брюстера.

Степень поляризации преломленного света может быть значитель­но повышена. Для этого вместо одной пластинки пользуются системой одинаковых стеклянных пластинок, расположенных друг за другом так, что свет, выходящий из первой пластинки, падает под углом Брюстера на вторую, из второй - на третью и т.д. Такая система пластин, на­зываемая стеклянной стопой, позволяет путем многократных отражений и преломлений добиться того, чтобы свет, прошедший сквозь стопу, был практически полностью поляризован. Так, например, если для одной стеклянной пластинки степень поляризации преломленного луча состав­ляет ~ 15 %, то после преломления на стопе из 8  10 пластинок вы­шедший свет оказывается практически полностью поляризованным (Р ≈1).

Поляризация при двойном лучепреломлении

До сих пор мы изучали явление преломления света в изотропных средах, т.е. в таких, физические свойства которых, в том числе и скорость распространения света, во всех направлениях одинаковы. В анизотропных средах преломление света происходит значительно сложнее.

Анизотропными называются среды, физичес­кие свойства которых зависят от направления. Все кристаллические вещества анизотропные.

В прозрачных кристаллах (кроме кристаллов кубической симметрии, которые оптически изотропные) преломленный луч пространственно раз­деляется на два луча. Это явление называется двойным лучепреломле­нием. Впервые двойное лучепреломление было обнаружено датским уче­ным Э. Бартолином на кристаллах исландского шпата  CaCO3.

Рассмотрим некоторые закономер­ности явления двойного лучепреломле­ния в кристаллах исландского шпата, обладающих ромбоэдрической структу­рой.

В кристалле исландского шпата имеется единственное направление (направление ав, рис. 3.3), вдоль которого двойного лучепреломления не наблюдается. Это направление называется оптической осью кристал­ла. Любая прямая, проходящая па­раллельно данному направлению aв, является оптической осью кристалла.

Меняя направление луча, падающего на поверхность кристалла, можно убедиться в том, что пространственного разделения падающего луча на два не происходит в двух случаях: луч падает параллельно оптической оси (рис. 3.4, а) и перпендикулярно оптической оси (рис. 3.4, б). Во всех иных случаях падения луча на кристалл происхо­дит пространственное разделение луча, даже при перпендикулярном падении луча на поверхность кристалла (рис. 3.4, в).

Луч, являющийся продолжением падающего (см. рис. 3.4, б, в), называется обыкновен­ным лучом (обозначается буквой о), отклоняющийся луч (см. рис. 3.4, в)  необыкновенным (обозначается, буквой е).

Обыкновенный и необыкновенный лучи имеют следующие свойства.

1. Обыкновенный и необыкновенный лучи имеют одинаковую интенсив­ность I_о = I_e , равную I_ест/2 (I_ест - интенсивность падающего на кристалл естественного луча).

2. Оба луча, обыкновенный и необыкновенный, полностью поляри­зованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

3. Обыкновенный луч подчиняется закону преломления света. Он лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, восста­новленным к поверхности кристалла в точке падения луча. Для этого луча при любом угле падения соблюдается закон преломления

.

Необыкновенный луч не лежит в плоскости падения луча и не подчиня­ется закону преломления. При изменении угла падения луча на крис­талл для необыкновенного луча

.

Даже при нормальном падении луча на кристалл необыкновенный луч преломляется (см. рис. 3.4, в).

4. Пространственное разделение луча внутри кристалла обус­ловлено анизотропией  различием скоростей распространения света по разным направлениям . Это приводит к различию пока­зателей преломления: .

5. Если свет падает перпендикулярно оптической оси кристалла (см. рис. 3.4, б), то, не разделяясь пространственно, он фактически делится на два луча  обыкновенный и необыкновенный: лучи идут по одному направлению, но с разными скоростями.

6. Обыкновенный и необыкновенный лучи остаются пространст­венно разделенными и после выхода из кристалла: они распространя­ются параллельно друг другу и параллельно падающему лучу.

7. После выхода из кристалла, если не принимать во внимание поляризацию во взаимно перпендикулярных плоскостях, обыкновенный и необыкновенный лучи ничем не отличаются друг от друга.

8. Обыкновенный и необыкновенный лучи по-разному поглощаются в некоторых кристаллах. Это явление носит название дихроизма.

Очень сильным дихроизмом в видимых лучах обладает кристалл турмалина (минерала сложного состава). В нем обыкновенный луч практически полностью поглощается на глубине 1 мм. Таким же свойст­вом обладает поляроид - целлулоидная пленка, в которую введено большое количество одинаково ориентированных кристалликов сульфа­та йодистого хинина. В этих кристалликах размером ~ 0,1 мм один из лучей полностью поглощается.

Следовательно, турмалин и поляроид вследствие дихроизма мо­гут быть использованы в качестве поляризаторов.

Призма Николя

Самым распространенным на практике способом получения поляри­зованных лучей с помощью двойного лучепреломления является призма Николя (У. Николь  шотландский физик) или просто николь.

Призма Николя представляет собой двойную призму из исландского шпата (рис. 3.5), склеенную вдоль линии АВ канадским бальзамом (стеклообразным веществом, добываемым из канадской пихты). На николь падает луч естественного света с интенсивностью I. В призме он раздваивается на два луча  обыкновенный () и необык­новенный (n_e = 1,52).

Так как n_e < n_{кан.бальзам} < n_о, то слой канад­ского бальзама оптически менее плотен, чем исландский шпат для обыкновенного луча и оптически более плотен для необыкновенного луча. Обыкновенный луч падает на поверхность канадского бальзама под углом, большим предельного, и, претерпев полное внутреннее отра­жение, поглощается в оправе призмы. Необыкновенный луч свободно про­ходит через слой канадского бальзама и выходит из призмы параллель­но падающему лучу. Таким образом, николь преобразует естественный свет в плоско-поляризованный.