Поляризация при отражении и преломлении Закон Брюстера

Я вление поляризации света (выделение световых волн с определенными направлениями колебаний светового вектора) наблюдается при отражении и преломлении света на границе раздела двух прозрачных изотропных диэлектриков (например, воздух - стекло). Если угол падения естественного света отличен от нуля, то отраженный и преломленный пучки оказываются частично-поляризованными. Исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания вектора , перпендикулярные к плоскости падения (на рисунке изображены точками), а в преломленном свете – параллельные этой плоскости (изображены стрелками). Степень поляризации отраженного и преломленного света зависит от угла падения естественного света на границу раздела диэлектриков и показателя преломления. Шотландский физик Д. Брюстер (1781 – 1868) установил закон, в соответствии с которым при угле падения (угол Брюстера) отраженный луч является плоскопараллельным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения). Преломленный луч при угле падения поляризуется максимально, но не полностью. Угол Брюстера определяется соотношением

,

где – показатель преломления второй среды, – показатель преломления первой среды.

Е сли свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны.

Таким образом, пластинка прозрачного диэлектрика сортирует лучи естественного света, отражая лучи с одним направлением колебаний и преломляя преимущественно с другим.

Ч то произойдёт, если под углом Брюстера направить поляризованный свет?

Возможны два случая.

а) будет отражённый луч и слабый преломлённый.

б) отражённого луча не будет совсем.

Для определения интенсивности компонент световой волны, колеблющихся во взаимно перпендикулярных плоскостях, при отражении диэлектрика используются формулы Френеля.

i – угол падения,  – угол преломления.

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена путем многократного преломления при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера. Если, например, для стекла ( =1.53) степень поляризации преломленного луча составляет около 15%, то после преломления на восьми – десяти наложенных друг на друга стеклянных пластинках вышедший свет будет практически полностью поляризован. Такую совокупность пластинок называют стопой. В отсутствие поглощения интенсивность прошедшего через стопу света будет равна половине интенсивности падающего на стопу естественного света. Эта идея эффективно используется в газовых лазерах для получения на выходе из лазера плоско-поляризованных лучей.

Поляризация при двойном лучепреломлении

При прохождении света практически через все прозрачные кристаллы наблюдается явление так называемого двойного лучепреломления. Это явление заключается в способности анизотропных (физические свойства зависят от направления) веществ расщеплять падающий световой луч на два луча, распространяющихся в разных направлениях с различной фазовой скоростью и поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях. В результате двойного лучепреломления при падении узкого светового луча на достаточно толстый анизотропный кристалл, например, исландский шпат, из него выходят два пространственно разделенных луча. Один из этих лучей является продолжением первичного и подчиняется обычному закону преломления ( ). Второй не подчиняется обычному закону преломления и даже при нормальном падении светового пучка на поверхность кристалла может отклоняться от нормали. Вышедшие лучи параллельны друг другу и падающему лучу. Первый из лучей называется обыкновенным (о), а второй – необыкновенным (е). Обыкновенный и необыкновенный лучи плоско-поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Это явление в 1669 году открыл датский физик и математик Эразм Бартолин (1625 – 1698) в опытах с исландским шпатом (CaCO₃).

В любом анизотропном кристалле имеется, по крайней мере, одно направление, в котором отсутствует двойное лучепреломление. В этом направлении падающий пучок света не раздваивается и состояние его поляризации не изменяется. Это направление называют оптической осью кристалла. В природе существуют одноосные и двуосные кристаллы. Исландский шпат, турмалин, кварц – одноосные кристаллы. Слюда, гипс, топаз – двуосные. Ограничимся рассмотрением одноосных кристаллов.

С хематично распространение света в одноосном кристалле можно представить на рисунке.

В данном случае главным сечением является плоскость листа.

Исследования показали, что обыкновенный и необыкновенный лучи являются полностью поляризованными во взаимно перпендикулярных направлениях.

Плоскость, проходящая через направление луча света и оптическую ось кристалла , называется главным сечением или главной плоскостью одноосного кристалла. Электрический вектор в обыкновенном луче колеблется перпендикулярно главной плоскости, в необыкновенном – в главной плоскости. Оба луча, вышедшие из кристалла, отличаются друг от друга только направлением поляризации, так что названия обыкновенный и необыкновенный имеют смысл только внутри кристалла. Интересен случай падения света на пластинку перпендикулярно направлению оптической оси. При этом обыкновенный и необыкновенный лучи будут распространяться, не разделяясь, но с различной скоростью, из-за чего между ними возникает все возрастающая разность фаз.

Явление двойного лучепреломления используется для получения поляризованного света.

В некоторых кристаллах один из лучей поглощается сильнее другого. Это явление называется – дихроизм. Очень сильным дихроизмом в видимой области спектра обладает кристалл турмалина. В нём обыкновенный луч практически полностью поглощается на длине в 1 мм, а необыкновенный луч выходит из кристалла. В кристаллах сульфата йодистого хинина один из лучей поглощается на длине в 0,1 мм. Это явление используется для создания поляроидов. На выходе поляроида получается один поляризованный луч.

Часто в качестве поляроида используется призма шотландского учёного Николя (николь, призма Николя), которую он изобрёл в 1828 году.

Э то призма из исландского шпата, разрезанная по диагонали и склеенная канадским бальзамом. Показатель преломления канадского бальзама лежит в пределах между значениями показателей преломления n₀ и n_e для обыкновенного и необыкновенного лучей в исландском шпате (n₀ > n > n_e). За счёт этого обыкновенный луч претерпевает полное внутреннее отражение на прослойке канадского бальзама и отклоняется в стороне. Попадая на зачернённую поверхность, он поглощается. Необыкновенный луч свободно проходит через эту прослойку и выходит из призмы.

Попытаемся объяснить явление двойного лучепреломления.

Двойное лучепреломление обусловлено анизотропией кристалла. В таких кристаллах относительная диэлектрическая проницаемость  зависит от кристаллографического направления в кристалле. В одноосных кристаллах  в направлении оптической оси и в направлениях перпендикулярных к ней, имеет различные значения: _|| и _. В других направлениях  имеет промежуточные значения. Поскольку показатель преломления , а в диэлектриках   1, то . Следовательно, из анизотропии e вытекает, что электромагнитные волны разных направлений колебания вектора имеют разный показатель преломления и, следовательно, разную скорость распространения. Скорость распространения обыкновенного луча . Скорость необыкновенного луча , причём необыкновенный луч распространяется перпендикулярно оптической оси кристалла. В соответствии с этим одноосные кристаллы характеризуются показателем преломления обыкновенного луча и показателем преломления необыкновенного луча . В зависимости от того, какая из скоростей ₀ или _e больше, различают положительные и отрицательные одноосные кристаллы. Если ₀ > _e , то это положительный кристалл, если ₀ < _e – отрицательный кристалл.