11.2. Поляризационные призмы и поляроиды

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

поляроиды. Призмы делятся на два класса:

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 (рис.11.6) представляет

собой двойную призму из исландского шпата, склеенную вдоль линии АВ канадским бальзамом с п = 1,55. Оптическая

Рис.11.6

призмы составляет с входной гранью угол 48 . На передней грани призмы естественный луч, параллельный ребру СВ, раздваивается на два луча — обыкновенный (п0 = 1,66) и

необыкновенный (пе = 1,51). При соответствующем подборе

угла падения, равного или больше предельного, обыкновенный луч испытывает полное отражение (канадский бальзам для него является средой оптически менее плотной),

же луч при соответствующем подборе показателя преломления стекла п (п = пс) проходит призму почти без

отклонения. Для вторых призм различие в ориентировке оптических осей влияет на угол расхождения между обыкновенным и необыкновенным лучами.

Двоякопреломляющие кристаллы обладают свойством дихроизма, т. е. различного поглощения света в зависимости

от ориентации электрического вектора световой волны, и называются дихроичными кристаллами. Примером сильно

дихроичного кристалла является турмалин, в котором из-за сильного селективного поглощения обыкновенного луча уже при толщине пластинки 1 мм из нее выходит только необыкновенный луч. Такое различие в поглощении, зависящее, кроме того, от длины волны, приводит к тому, что при освещении дихроичного кристалла белым светом кристалл по разным направлениям оказывается различно окрашенным.

Дихроичные кристаллы приобрели еще более важное значение в связи с изобретением поляроидов. (Поляроиды были изобретены в 1929 г. Эдвином Лэндом). Эта пленка состоит из имеющих сложное строение длинных молекул с выстроенными параллельными осями. Такой поляроид действует как набор параллельных щелей, почти беспрепятственно (без потерь) пропуская свет одной поляризации (соответствующее направление называется осью поляроида) и почти полностью поглощая свет,

поляризованный в перпендикулярной плоскости. Примером поляроида может служить также тонкая пленка из целлулоида, в которую вкраплены кристаллики герапатита (сернокислого иод-хинина). Герапатит — двоякопреломляющее вещество с очень сильно выраженным дихроизмом в области видимого света. Установлено, что такая пленка уже при толщине 0,1 мм полностью поглощает

обыкновенные лучи видимой области спектра, являясь в таком тонком слое совершенным поляризатором. Преимущество поляроидов перед призмами — возможность изготовлять их с площадями поверхностей до нескольких квадратных метров.

Однако степень поляризации в них сильнее зависит от λ, чем в призмах. Кроме того, их меньшая по сравнению с призмами прозрачность (приблизительно 30%) в сочетании с небольшой термостойкостью не позволяет использовать поляроиды в мощных световых потоках. Поляроиды применяются, например, для защиты от ослепляющего действия солнечных лучей и фар встречного автотранспорта. Если пучок плоскополяризованного света падает на поляроид, ось которого образует угол с направлением

поляризации, то после поляроида он будет поляризован в плоскости, параллельной оси поляроида, и иметь амплитуду, ослабленную в cos раз (рис. 11.8). Таким образом, через поляроид проходит только

компонента поляризации (вектора напряженности электрического поля Е), параллельная его оси. Так как интенсивность света пропорциональна

квадрату его амплитуды, интенсивность плоско поляризованного пучка, прошедшего через поляризатор, определяется выражением

Поляроид можно использовать в качестве поляризатора для получения плоско поляризованного света из неполяризованного, так как поляроид пропускает только компоненту волны с поляризацией, параллельной его оси. Поляроид можно также использовать в качестве анализатора, когда требуется установить, 1) поляризован ли свет и 2) в какой плоскости он поляризован. Поляроид- анализатор пропускает одно и то же количество света независимо от ориентации своей оси, если свет не поляризован; чтобы убедиться в этом, попробуйте вращать одно из стекол поляроидных солнцезащитных очков, глядя сквозь него на обычную лампу накаливания. Но если свет поляризован, то при вращении поляроида интенсивность пропускаемого света максимальна, когда плоскость поляризации параллельна оси поляроида, и минимальна, когда она перпендикулярна оси поляроида. Если, вращая поляроид, посмотреть на небо преимущественно под прямыми углами к направлению на Солнце, то вы увидите, что дневной свет поляризован. (Прямой солнечный свет не поляризован, но мы настоятельно не рекомендуем смотреть на Солнце даже сквозь

поляризатор, чтобы не испортить зрение.)

Рис.11.8

Если при определенной ориентации интенсивность прошедшего сквозь поляроид-анализатор света падает до нуля, то такой свет полностью плоско поляризован. Если

интенсивность света снижается просто до минимума, то такой свет частично поляризован. Неполяризованный свет - это

свет со случайными направлениями поляризации (вектора напряженности электрического поля). Каждую из этих поляризаций можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие. Таким образом, неполяризованный свет можно рассматривать как смесь двух плоско поляризованных пучков света равной амплитуды со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации. Если

два поляроида скрещены, т. е. их оси расположены под прямым углом, то неполяризованный свет не проходит сквозь них (либо почти не проходит, поскольку реальные поляроиды несовершенны). Как показано на рис. 11.8, неполяризованный свет после прохождения через первый поляроид (поляризатор) становится плоско поляризованным. Второй поляроид (анализатор) не пропускает эту компоненту, так как его ось перпендикулярна оси первого поляризатора. Вы можете убедиться в этом сами с помощью поляроидных солнцезащитных очков. Таким образом, благодаря своей способности поляризовать падающий свет поляроидные солнцезащитные очки на 50% ослабляют неполяризованный свет. В действительности они поглощают еще больше света из-за окраски.