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.

Схематично 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.

Это 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 e зависит от кристаллографического направления в кристалле. В одноосных кристаллах e в направлении оптической оси и в направлениях перпендикулярных к ней, имеет различные значения: e_|| и e_^. В других направлениях e имеет промежуточные значения. Поскольку показатель преломления , а в диэлектриках m» 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 u₀ или u_e больше, различают положительные и отрицательные одноосные кристаллы. Если u₀ > u_e, то это положительный кристалл, если u₀ < u_e – отрицательный кристалл.

Поиск по сайту: