11.4.2 Способы получения поляризованного света. Поляризация при двойном лучепреломлении
Во многих прозрачных средах скорость распространения света одинакова по всем направлениям, так как во всех направлениях одинакова относителоная диэлектрическая проницаемость среды. Такие среды называются изотропными, но в некоторых кристаллах и растворах скорость распространения света в различных направлениях неодинакова. Такие среды называются анизотропными. Анизотропными средами являются, например, кристаллы кварца и исландского шпата, дерево (свойства дерева различны вдоль и поперек ствола). В случае анизотропной среды, показатель преломления различен для различных направлений колебаний вектора световой волны, поэтому при освещении кристалла исландского шпата узким пучком естественного света в кристалле возникают два луча. Один из этих лучей удовлетворяет обычному закону преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. Этот луч называют обыкновенным (о). Для другого луча, называемого необыкновенным (e), закон преломления света не выполняется (см. рис.11.17).
Рисунок 11.17
Необыкновенный луч не лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. Об анизотропных кристаллах говорят, что они двоякопреломляющие.
В двоякопреломляющих кристаллах существует направление, в котором отсутствует двойное лучепреломление, т.е. показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей равны ne=n0, тогда это направление называется оптической осью кристалла. Прямая линия О1О2 (см.рис.11.17 является оптической осью кристалла исландского шпата (прямая, соединяющая противоположные телесные тупые углы). Всякое направление в кристалле, параллельное О1О2 также является оптической осью этого кристалла. Сечение MO1NO2 – главное сечение кристалла, или главная плоскость, которая проходит через оптическую ось и нормаль n, проведенную в точку В падения луча АВ. Но если естественный свет падает на кристалл под углом к оптической оси, то в кристалле наблюдается два преломленных луча. На рисунке 11.17 луч света падает по нормали к поверхности, тогда ход лучей (обыкновенного и необыкновенного) можно изобразить в плоскости главного сечения. Колебания вектора в необыкновенном луче BD совершаются в плоскости главного сечения кристалла (луч отмечен черточками), а в обыкновенном луче ВС – в плоскости, перпендикулярной главному сечению (луч отмечен точками). Для необыкновенного луча показатель преломления кристалла nе зависит от направления луча в кристалле, тогда как n0 – показатель преломления обыкновенного луча остается постоянным при любом угле падения световой волны на кристалл.
Чтобы использовать такие поляризованные лучи, их нужно отделить один от другого. Это осуществляется в призме Николя. Для изготовления призмы Николя кристалл исландского шпата распиливается по линии AR (см. рис. 11.18) и обе половины склеиваются «канадским бальзамом». Если на николь падает естественный свет, то в призме он раздваивается. Обыкновенный луч, дойдя до слоя канадского бальзама AR, испытывает полное внутреннее отражение от канадского бальзама (см.рис. 11.18), т.к. для обыкновенного луча канадский бальзам оптически менее плотен, чем исландский шпат.
Рисунок 11.18
Таким образом, обыкновенный луч отводится в сторону и поглощается в оправе призмы Николя. Необыкновенный луч 2 свободно проходит через слой канадского бальзама и выходит из призмы полностью поляризованным.
Дихроизм. Существуют кристаллы, которые по-разному поглощают обыкновенный и необыкновенный лучи. Так, если на кристалл турмалина направить пучок естественного света перпендикулярно оптической оси, то при толщине пластинки лишь в несколько миллиметров, обыкновенный луч полностью поглотится, а из кристалла выйдет только необыкновенный луч. Различный характер поглощения обыкновенного и необыкновенного лучей называется анизотропией поглощения или дихроизмом. Дихроизмом в той или иной степени должны обладать все двоякопреломляющие кристаллы, но у разных веществ анизотропия поглощения проявляется по-разному.
Устройства, при помощи которых получают поляризованный свет, называют поляризаторами. Если на пути поляризованного света поместить второй николь, то интенсивность вышедшего света будет зависеть от взаимной ориентации обоих николей. Если их главные плоскости параллельны, то интенсивность прошедшего через оба николя света наибольшая. Если же эти направления перпендикулярны друг другу, то через вторую призму свет не пройдет. Первый николь играет роль поляризатора, второй – анализатора. Совокупность поляризатора и анализатора представляет собой типичную поляризационную установку, позволяющую исследовать различные поляризационные явления в разных средах, помещая их между поляризатором и анализатором.
Поляроиды. Кроме двойного лучепреломления, для поляризации света применяются искусственные пленки – поляроиды; отражение света от диэлектриков; преломление света в стопе стеклянных пластинок и т.д.