3. Естественный и поляризованный свет. Графическое изображение поляризованного света

Введем понятие плоскополяризованной волны. Электромагнитную волну, в которой векторы напряженности электрического и магнитного поля (векторы Е и Н) колеблются во вполне определенных (взаимно перпендикулярных) плоскостях называют плоскополяризованной волной, а свет, состоящий из подобных волн, в этом случае называют плоскополяризованным светом. Плоскость, в которой колеблется электрический вектор Е, называется плоскостью поляризации света. Плоскополяризованную световую волну излучает отдельный атом.

В естественном свете, идущем от Солнца, накаленной нити лампы, газоразрядной трубки, пламени и т. п. складываются неупорядоченные излучения множества хаотически ориентированных атомов, и, следовательно, колебания вектора Е не выдерживаются в одной плоскости. Такой естественный свет можно рассматривать как наложение плоскополяризованных волн с хаотической ориентацией плоскостей колебаний (электрические векторы ориентированы по всевозможным перпендикулярным световому лучу направлениям).

Если выбрать любые две взаимно перпендикулярные плоскости, проходящие через луч естественного света, и спроецировать векторы Е на эти плоскости, то в среднем суммы этих проекций будут одинаковыми. Поэтому луч естественного света удобно изображать как прямую, на которой расположено одинаковое число тех и других проекций в виде черточек и точек. При этом черточки обозначают проекции на плоскость чертежа, точки – проекции на плоскость, перпендикулярную плоскости чертежа. Луч же плоскополяризованного света будет обозначен прямой с черточками (плоскость поляризации соответствует плоскости чертежа) или точками (плоскость поляризации перпендикулярна плоскости чертежа).

Луч света, состоящего из естественной и поляризованной составляющих, называется частично поляризованным; он будет показан на чертеже точками и черточками, причем соотношение числа точек и черточек отражает степень поляризации, то есть долю интенсивности поляризованной составляющей относительно полной интенсивности света.

4. Физические явления, лежащие в основе получения поляризованного света

а) Поляризация света при отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектриков

Для получения поляризованного света широко используется явление отражения и преломления света на границе двух диэлектриков. При отражении от границы двух диэлектриков естественный свет частично поляризуется. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения («гладящая» относительно поверхности диэлектрика составляющая), а в преломленном – колебания, параллельные плоскости падения («колющая» составляющая).

Однако, если угол падения удовлетворяет условию: tg i_Б = n ( закон Брюстера ), то отраженный луч полностью поляризован (содержит только «гладящую» составляющую). Угол падения i_Б называется углом Брюстера, или углом полной поляризации, n – относительный показатель преломления двух сред. Преломленный луч при этом поляризован частично (преобладает «колющая» составляющая).

Используя закон преломления, нетрудно доказать, что при полной поляризации отраженного света угол между преломленным и отраженным лучами равен 90^о.

В качестве устройств для получения поляризованного света (поляризаторов) используют стопу стеклянных пластин. Независимо от угла падения и выполнения закона Брюстера степень поляризации преломленного луча возрастает по мере прохождения пластин.

б) Поляризация света при двойном лучепреломлении. Дихроизм

Двойным лучепреломлением называется явление разложения естественного светового луча на два луча плоскополяризованного света (обыкновенный и необыкновенный) при прохождении естественного света через анизотропные кристаллы.

Двойное лучепреломление при нормальном падении луча света на поверхность кристалла показано на рисунке: обыкновенный луч, как следует из закона преломления, проходит, не преломляясь, необыкновенный преломляется.

Анизотропными кристаллами называются кристаллы, оптические, механические, электрические и другие свойства которых зависят от направления в кристалле (например, исландский шпат, кварц, турмалин и др.).

Направления, вдоль которых двойного лучепреломления нет, и оба луча (обыкновенный и необыкновенный) распространяются с одинаковой скоростью, называют оптическими осями кристалла. Если такое направление одно, то кристаллы называют одноосными.

Плоскость, проходящую через падающий луч и оптическую ось, называют главной оптической плоскостью. На рисунке показано, что обыкновенный луч поляризован перпендикулярно главной оптической плоскости, необыкновенный – в главной оптической плоскости, т.е. эти лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Двойное лучепреломление обусловлено особенностями распространения электромагнитных волн в анизотропных средах: амплитуды вынужденных колебаний зависят от направлений этих колебаний.

Ход обыкновенных и необыкновенных лучей в кристаллах можно наглядно представить с помощью волновых поверхностей. Предположим, что внутри кристалла произошла световая вспышка и во все стороны распространяются две волны: обыкновенная и необыкновенная. В некоторый момент времени их волновые поверхности займут положение, изображенное на рисунке (а - для положительных кристаллов, б – для отрицательных). Сферы соответствуют обыкновенным волнам, имеющим по всем направлениям одинаковую скорость, эллипсоиды – необыкновенным волнам, скорость которых зависит от направления. Вдоль оптических осей скорость обыкновенной и необыкновенной волн одинакова и равна: v_o =c/n_o, где n_o – показатель преломления обыкновенного луча, имеющий разное значение для различных кристаллов.

Для положительных кристаллов v_e≤v_o, для отрицательных – v_e ≥ v_o. Наибольшее различие скоростей обыкновенная и необыкновенная волны имеют в направлениях, перпендикулярных оптической оси. Для этих направлений вводят показатель преломления необыкновенного луча n_e. У исландского шпата (отрицательный кристалл): n_o = 1,6584; n_e = 1,4864 (для желтой линии натрия с λ = 589,3 нм), у кварца (положительный кристалл): n_o = 1,5442n_e = 1,5533 (для той же длины волны).

Некоторые другие кристаллы наряду с двойным лучепреломлением способны поглощать один из лучей сильнее, чем другой. Это явление называется дихроизмом.