Поляризация света

Естественный и поляризованный свет

световые волны поперечны:

векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости v распространения волны (перпендикулярно лучу).

для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение светового вектора — вектора напряженности Е электрического поля

(действие света на вещество обусловлено электрической составляющей поля волны, действующей на электроны в атомах вещества).

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов.

Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, характеризуется всевозможными равнове­роятными колебаниями светового вектора

В данном случае равномерное распределение векторов Е объясняется боль­шим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов Е — одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов.

Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (и, следовательно, Н) называется естественным.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным.

если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное направление коле­баний вектора Е то это частично поляризованный свет.

Свет, в котором вектор Е (и, следовательно, Н) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу называется плоскополяризованным (линейно поляризованным).

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора и направление распространения плоскополяризованной волны, называется плоско­стью поляризации.

Степенью поляризации называется величина

где I_max, и I_min — соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором.

Для естественного света I_max = I_min и Р= 0, для плоскополяризованного I_min =0 и Р= 1.

Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направле­ния

В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в отношении колебаний вектора Е, например кристаллы (турмалин).

Направим естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина T ₁,

Вращая кристалл T ₁ вокруг направления луча, никаких изменений интенсивности прошедшего через турмалин света не наблюдаем.

Если на пути луча поставить вторую пластинку турмалина T ₂ и вращать ее вокруг направления луча,

интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла к между оптическими осями кристаллов по закону Малюса:

где I ₀ и I — соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него.

интенсивность прошедшего через пластинки света изменится от

минимума (полное гашение света) при a=p /2 (оптические оси пластинок перпендикулярны)

максимума при a =0

(оптические оси пластинок парал­лельны).

амплитуда Е световых колебаний, прошедших через пластинку Т ₂, будет меньше амплитуды световых колебаний Е ₀, падающих на пластинку T ₂.

Первая пластинка турмалина пропускает колебания только определенного направления, преобразует естественный свет в плоскополяризованный.

Вторая же пластинка турмалина в зависимости от ее ориен­тации из поляризованного света пропускает большую или меньшую его часть, которая соответствует компоненту Е, параллельному оси второго турмалина.

Пластинка Т ₁, преобразующая естественный свет в плоскополяризованный, являет­ся поляризатором. Пластинка Т ₂, служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором.

Если пропустить естественный свет через два поляризатора, главные плоскости которых образуют угол j,

то из первого выйдет плоскополяризованный свет, интенсив­ность которого

I ₀ = ¹/₂ I _ест,

из второго, выйдет свет интенсивностью

I=I ₀cos² j

интенсивность света, прошедшего через два поляризатора,

I ₀ = ¹/₂ I _ест (поляризаторы параллельны)

I _min = 0 (поляризаторы скрещены).

Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде.

отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усаливается и ослабевает

в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения

в прелом­ленном — колебания, параллельные плоскости падения (изображены стрелками).

Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления.

Шотландский физик Д. Брюстер (1781—1868) установил закон,

при угле падения i _B (угол Брюстера), отраженный луч является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плос­кости падения)

(n ₂₁ — показатель преломления второй среды относительно первой),

Преломленный же луч при угле падения i _B поляризуется максимально, но не полностью.

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

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена (многократным преломлением при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера).

Если, например, для стекла (п= 1,53) степень поляриза­ции преломленного луча составляет»15%, то после преломления на 8—10 наложен­ных друг на друга стеклянных пластинок вышедший из такой системы свет будет практически полностью поляризованным. Такая совокупность пластинок называется стопой.

Стопа может служить для анализа поляризованного света как при его отраже­нии, так и при его преломлении.

Двойное лучепреломление

Все прозрачные кристаллы (кроме кристаллов кубической системы, которые оптически изотропны) обладают способностью двойного лучепреломления,

т. е. раздваивания каждого падающего на них светового пучка.

Это явление, в 1669 г. впервые обнаружен­ное датским ученым Э. Бартолином (1625—1698) для исландского шпата (разновид­ность кальцита СаСОз), объясняется особенностями распространения света в анизот­ропных средах и непосредственно вытекает из уравнений Максвелла.

Если на толстый кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу

Даже в том случае, когда первичный пучок падает на кристалл нормально, преломленный пучок разделяется на два, причем один из них является продолжением первичного, а второй отклоняется

Второй из этих лучей получил название необыкновенного (e), а первый — обыкновенного (о).

Направление в оптически анизотропном кристалле, по которому луч света распространяется, не испытывая двойного луче­преломления, называется оптической осью кристалла.

В данном случае речь идет именно о направлении, а не о прямой линии, проходящей через какую-то точку кристалла.

Любая прямая, проходящая параллельно данному направлению, является оптической осью кристалла.

Кристаллы в зависимости от типа их симметрии бывают одноосные и двуосные, т.е. имеют одну или две оптические оси

Исследования показывают, что вышедшие из кристалла лучи плоскополяризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Плоскость, проходящая через направление луча света и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью (или главным сечением кристалла).

Колебания светового вектора (вектора напряженности Е элект­рического поля) в обыкновенном луче происходят перпендикулярно главной плоскости, в необыкновенном — в главной плоскости

обыкновенный и необыкновенный лучи имеют различные показатели преломления.

при любом направлении обыкновенного луча колебания светового вектора перпендикулярны оптической оси кристалла,

обыкновенный луч распространяется по всем направлениям с оди­наковой скоростью и, следовательно, показатель преломления n_o для него есть вели­чина постоянная.

Для необыкновенного же луча угол между направлением колебаний светового вектора и оптической осью отличен от прямого и зависит от направления луча, поэтому необыкновенные лучи распространяются по различным направлениям с разными скоростями. Следовательно,

показатель преломления п_e необыкновенного луча является переменной величиной, зависящей от направления луча.

обыкновенный луч подчиняется закону преломления, а для необыкновенного луча этот закон не выполняется.

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:

1) призмы, дающие только плоскополяризованный луч (поляризационные призмы);

2) призмы, дающие два поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча (двоякопреломляющие призмы).

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

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

Оптическая ось ОО' призмы составляет с входной гранью угол 48°. На передней грани призмы естественный луч, параллельный ребру СВ, раздваивается на два луча: обыкновенный (n_о =1,66) и необыкновенный (n_e =1,51).

При соответствующем подборе угла падения, равного или большего предельного, обыкновенный луч испытывает полное отражение (канадский бальзам для него является средой оптически менее плотной), а затем поглощается зачерненной боковой поверхностью СВ.

Необыкновенный луч выходит из кристалла параллельно падающему лучу, незначительно смещенному относительно него (ввиду преломления на наклонных гранях АС и BD).

Двоякопреломляющие призмы используют различие в показателях преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, чтобы развести их возможно дальше друг от друга.

Примером двоякопреломляющих призм могут служить призмы из исландского шпата и стекла, призмы, составленные из двух призм из исландского пшата со взаимно перпендикулярными оптическими осями.

Для первых призм обыкновенный луч преломляется в шпате и стекле два раза и, следовательно, сильно отклоняется, необыкновенный же луч при соответствующем подборе показателя преломления стекла n (n»n_e) 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.

Дихроичиые кристаллы приобрели еще более важное значение в связи с изобретени­ем поляроидов.

Примером поляроида может служить 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 l, 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.

Искусственная оптическая анизотропия

т. е. сообщения оптической анизотропии естественно изотропным веществам.

Оптически изотропные вещества становятся оптически анизотропными под дейст­вием:

1) одностороннего сжатия или растяжения (кристаллы кубической системы, стекла и др).

2) электрического поля (эффект Керра); (жидкости, аморфные тела, газы);

3) магнитного поля (жидкости, стекла, коллоиды).

В перечисленных случаях вещество приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого со­впадает с направлением деформации, электрического или магнитного полей соответст­венно указанным выше воздействиям.

Мерой возникающей оптической анизотропии служит разность показателей прело­мления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси:

где k ₁, k ₂, k ₃ — постоянные, характеризующие вещество, s — нормальное напряжение, Е и Н — соответственно напряженность электрического и магнитного полей.

приведена установка для наблюдения эффекта Керра в жидкостях (установки для изучения рассмотренных явлений однотипны).

Ячейка Керра — кювета с жидкостью (например, нитробензолом), в которую введены пластины конденсатора, помещается между скрещенными поляризатором Р и анализатором А.

При отсутствии электрического поля свет через систему не проходит.

При наложении электрического поля жидкость становится двоякопреломляющей;

при изменении разности потенци­алов между электродами меняется степень анизотропии вещества, а следовательно, и интенсивность света, прошедшего через анализатор. На пути l между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает оптическая разность хода

или разность фаз

где

B=k ₂ /l — постоянная Керра.

Эффект Керра — оптическая анизотропия веществ под действием электрического поля — объясняется различной поляризуемостью молекул жидкости по разным напра­влениям.

Это явление практически безынерционно, т. е. время перехода вещества из изотропного состояния в анизотропное при включении поля (и обратно) составляет приблизительно 10^–10 с.

Поэтому ячейка Керра служит идеальным световым затво­ром и применяется в быстропротекающих процессах (звукозапись, воспроизводство звука, скоростная фото- и киносъемка, изучение скорости распространения света и т. д.), в оптической локации, в оптической телефонии и т. д.

Искусственная анизотропия под действием механических воздействий позволяет исследовать напряжения, возникающие в прозрачных телах. В данном случае о степени деформации отдельных участков изделия (например, остаточных деформаций в стекле при закалке) судят по распределению в нем окраски. Так как применяемые обычно в технике материалы (металлы) непрозрачны, то исследование напряжений производят на прозрачных моделях, а потом делают соответствующий пересчет на проектируемую конструкцию.

Вращение плоскости поляризации

Некоторые вещества (например, из твердых тел — кварц, сахар, киноварь, из жид­костей — водный раствор сахара, винная кислота, скипидар), называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации.

между скрещенными поляризатором Р и анализатором А, дающими темное поле зрения, поместить оптически активное вещество (например, кювету с раствором сахара), то поле зрения анализатора просветляется.

При повороте анализатора на некоторый угол j можно вновь получить темное поле зрения.

Угол j и есть угол, на который оптически активное вещество поворачивает плоскость поляризации света, прошедшего через поляризатор.

Опыт показывает, что угол поворота плоскости поляризации для оптически актив­ных кристаллов и чистых жидкостей

для оптически активных растворов

где d — расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе, a ([ a ]) — так называемое удельное вращение, численно равное углу поворота плоскости поляризации света слоем оптически активного вещества единичной толщины (единичной концент­рации — для растворов), С — массовая концентрация оптически активного вещества в растворе, кг/м³.

Удельное вращение зависит от природы вещества, температуры и длины волны света в вакууме.

Опыт показывает, что все вещества, оптически активные в жидком состоянии, обладают таким же свойством и в кристаллическом состоянии. Однако если вещества активны в кристаллическом состоянии, то не всегда активны в жидком

Следовательно, оптическая активность обусловливается как строением молекул вещества (их асимметрией), так и особенностями расположения частиц в кристаллической решетке.

Оптически активные вещества в зависимости от направления вращения плоскости поляризации разделяются на право- и левовращающие.

В первом случае плоскость поляризации, если смотреть навстречу лучу, вращается вправо (по часовой стрелке), во втором — влево (против часовой стрелки).

Вращение плоскости поляризации объяс­нено О. Френелем (1817 г.).

Согласно теории Френеля, скорость распространения света в оптически активных веществах различна для лучей, поляризованных по кругу вправо и влево.

Явление вращения плоскости поляризации лежат в основе точного метода определения концентрации растворов оптически активных веществ, называемого поляриметрией (сахариметрией).

. По найденному углу поворота плоскости поляризации j и известному значению [ a ] находится концентрация растворенного вещества.

Впоследствии М. Фарадеем было обнаружено

вращение плоскости поляризации в оптически неактивных телах, возникающее под действием магнитного поля.

Это явление получило название эффект Фарадея (или магнитного вращения плоскости поляризации).

Оно имело огромное значение для науки, так как было первым явлением, в котором обнаружилась связь между оптическими и электромагнитными процессами.

Поиск по сайту: