Введение по теме 73. Поляризация света

Светом называется часть электромагнитного излучения, лежащая в диапазоне длин волн от 400 до 760 нм.

	Световая волна, являясь разновидностью электромагнитных волн, характеризуется векторами напряженности электрического () и магнитного () полей, которые расположены под прямым углом по отношению друг к другу.
Рис. 73.1

Световые волны являются поперечными волнами, так как векторы и колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света. На рисунке 73.1 изображена плоская электромагнитная волна. Векторы и изменяются синхронно, одновременно обращаясь в нуль и одновременно достигая максимальных значений, поэтому для полного описания световой волны достаточно знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор , так как в процессах взаимодействия света с веществом роль вектора является определяющей. проходящая через луч плоскость, в которой лежит вектор , называется плоскостью поляризации.

а	б в
Рис.73.2

Свет, испускаемый макроскопическими источниками (пламя, Солнце, лампочки и др.), представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов, из которых они состоят. В волнах, испускаемых отдельными атомами, плоскость колебаний вектора ориентирована случайным образом. Поэтому в свете от таких источников колебания различных направлений представлены с равной вероятностью. Такой свет называется естественным. На рис. 73.2(а) показано сечение луча естественного света плоскостью, перпендикулярной направлению его распространения. Стрелками обозначен вектор .

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным. Если колебания светового вектора происходят во всевозможных направлениях, но одно из них преобладает над другими, то свет называется частично поляризованным (рис. 73.2 (б)). Свет, в котором вектор колеблется строго в одной плоскости, называется плоско- или линейно поляризованным. На рис. 73.2(в) показано сечение линейно поляризованного луча плоскостью, пересекающей его под прямым углом.

Возможны и другие виды упорядоченности колебаний светового вектора.

Если вектор поворачивается вокруг луча, одновременно изменяясь по величине так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпендикулярной лучу, то свет будет эллиптически поляризованным (см. рис. 73.3). В частном случае, когда эллипс вырождается в окружность, свет будет называться поляризованным по кругу.

В настоящем лабораторном практикуме используется линейно поляризованный свет.

Линейно поляризованный свет получается из естественного света с помощью приборов, называемых поляризаторами. Поляризаторы пропускают волны поляризованные в плоскости, которую называют плоскостью пропускания поляризатора (или разрешенным направлением), и не пропускают волны поляризованные перпендикулярно к этой плоскости (запрещенное направление).

Для анализа поляризованного света используются такие же приборы, но только в этом случае их называют анализаторами. Пусть на анализатор падает частично поляризованный свет. Тогда, если вращать анализатор вокруг направления распространения света, интенсивность прошедшего через него света за один полный поворот два раза будет достигать максимального значения (когда разрешенные направления поляризатора и анализатора совпадают) и два раза минимального значения . Переход от одного из этих значений к другому будет совершаться при каждом повороте на угол, равный .

Пусть плоскость поляризации волны с амплитудой , падающей на анализатор, составляет угол с плоскостью пропускания анализатора ( на рис. 73.4).

Рис. 73.4

анализатор пропустит только волны с амплитудой , лежащие в плоскости пропускания. Так как интенсивность волны пропорциональна квадрату её амплитуды, то интенсивность прошедшей волны будет:

(73.2)

Где - интенсивность падающей волны.

Соотношение (73.2) носит название закона Малюса.

В естественном свете все значения равновероятны. Поэтому доля света, прошедшего через поляризатор, будет равна среднему значению , то есть 0,5.

Поставим на пути распространения естественного света, интенсивность которого , два поляризатора (рис. 73.5): поляризатор и анализатор . Пусть плоскости пропускания поляризатора и анализатора образуют угол .

Из поляризатора выйдет плоско поляризованный свет, интенсивность которого составит половину интенсивности естественного света

.

интенсивность света, прошедшего через анализатор составит:

.

Методы превращения естественного света в поляризованный могут быть основаны на различных оптических явлениях, таких как: отражение и преломление на границе изотропных диэлектриков, дихроизм (зависимость поглощения света от его поляризации), рассеяние света, двойное лучепреломление. Наиболее известны поляризаторы, основанные на поляризации при отражении и преломлении, а также на двойном лучепреломлении.

Широкое распространение получили поляризационные призмы. Обычно они состоят из двух или более частей, вырезанных из оптически анизотропных кристаллов.

явление двойного лучепреломления заключается в раздваивании внутри прозрачных кристаллов светового луча, падающего на их поверхность. Двойное лучепреломление объясняется анизотропией кристаллов, то есть различием свойств в зависимости от направления. Вследствие анизотропии показатель преломления оказывается зависящим от направления. Это приводит к тому, что при прохождении света через такие кристаллы в них распространяется не один, а два луча с разными скоростями.

Один из этих лучей подчиняется известному закону преломления света и поэтому называется обыкновенным лучом.

Второй луч называется необыкновенным, так как для него отношение синусов углов падения и преломления зависит от угла падения и он, как правило, не лежит в плоскости падения. Оба луча, обыкновенный и необыкновенный, оказываются полностью поляризованными во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Внутри кристаллов, обладающих двойным лучепреломлением, существует направление, вдоль которого луч распространяется, не разбиваясь на два. Всякая прямая, параллельная этому направлению называется оптической осью кристалла. Существуют одноосные и двуосные кристаллы.

Для того чтобы кристаллы с двойным лучепреломлением использовать в качестве поляризаторов или анализаторов, необходимо устранить один из поляризованных лучей (обыкновенный или необыкновенный), а работать только со вторым. Для устранения одного из лучей при изготовлении поляризационных призм используется явление полного внутреннего отражения.

Первую конструкцию поляризационной призмы предложил в 1828 году шотландский физик Уильям Николь. слова "николь" и "поляризационная призма" фактически превратились в синонимы, хотя в современных приборах используются и другие призмы (Томпсона, Франка-Риттера, Аренса и др.), отличающиеся от призмы Николя ориентацией оптической оси относительно самой призмы, веществом, заполняющим зазор.

Рис. 73.6

При изготовлении призмы Николя (рис. 73.6) используется исландский шпат (СаСО₃) - естественный кристалл. Кристалл разрезается под строго определенным углом и склеивается специальным клеем - канадским бальзамом. Дело в том, что показатель преломления канадского бальзама n = 1,55 имеет промежуточное значение между показателями преломления обыкновенного (n ₀ = 1,658) и необыкновенного (n _e = 1,486) лучей в призме. При определенных углах падения обыкновенный луч претерпевает полное внутреннее отражение и поглощается зачерненной боковой поверхностью призмы, а необыкновенный луч проходит сквозь призму.