Теоретическое введение. С точки зрения волновой теории, свет является поперечной электро­магнитной волной, то есть направления колебания векторов напряженно­сти электрического и

С точки зрения волновой теории, свет является поперечной электро­магнитной волной, то есть направления колебания векторов напряженно­сти электрического и магнитного полей () взаимно перпендику­лярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распростране­ния волны (рис. 1).

Рис. 1. Мгновенная картина распределения и вдоль направле­ния распространения электромагнитной волны

В процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет электрический вектор, его называют световым вектором. Плоскость, в которой колеблется световой вектор, называется плоскостью колебаний, а плоскость, в которой совершает колебание вектор напряженности маг­нитного поля – плоскостью поляризации.

Естественный свет – неполяризованный – представляет собой сум­марное электромагнитное колебание от множества атомов с различной ориентацией светового вектора приблизительно одинаковой амплитуды. На рисунке 2 показано сечение светового луча перпендикулярной ему плоскостью. Колебания вектора в естественном свете изображено на ри­сунке 2, а.

Поляризацией света называется явление выделения из естествен­ного света световых волн с определенными направлениями колебаний электрического вектора. Свет, в котором направление колебаний элек­трического вектора каким-то образом упорядочено, называют поляризо­ванным. Так, например, свет, испускаемый каким-либо отдельно взятым (атомом, молекулой) элементарным излучателем, всегда поляризован.

Рис. 2. Направление колебаний вектора в световой волне

Если при внешних воздействиях появляется какое-то преимущественное направление колебаний светового вектора (но не исключительное), свет называют частично поляризованным (рис. 2, б). Если вектор колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 2, в), свет называют плоско поляризованным (линейно поляризованным ).

Если вдоль одного и того же направления распространяются две мо­нохроматические волны, поляризованные в двух взаимно перпендикуляр­ных плоскостях, то в результате их сложения возникает эллиптически-поляризованная волна.

Плоско поляризованный свет можно получить, пропуская естествен­ный свет через анизотропные среды. Анизотропными называют такие среды, для которых относительная диэлектрическая проницаемость и по­казатель преломления зависят от направления электрического вектора световой волны в веществе. В обычных условиях газообразные, жидкие и аморфные твердые диэлектрики оптически изотропны, однако под влия­нием внешних воздействий могут стать анизотропными. Это явление на­зывается искусственной анизотропией.

Фундаментальным свойством световых лучей при их прохождении в анизотропных кристаллах является двойное лучепреломление, открытое в 1669 году Э. Бартолином. Оно заключается в следующем: при падении света на грань кристалла происходит пространственное разделение естест­венного луча на два поляризованных луча, идущих в веществе с разными скоростями и в разных направлениях.

Луч, вектор поляризации которого перпендикулярен оптической оси кристалла, называется обыкновенным «о». Скорость обыкновенного луча не зависит от направления распространения в кристалле.Обык­новенный луч полностью подчиняется законам геометрической оп­тики.

Луч, поляризованный в главной плоскости кристалла, называется не­обыкновенном «е». Показатель преломления n_e необыкновенного луча за­висит от направления в кристалле. Оптической осью кристалла называ­ется направление, в котором отсутствует двойное лучепреломление, то есть n_e = n_o.

Высокая степень оптической анизотропии в естественном состоянии характерна для кристаллических диэлектриков (за исключением кристал­лов кубической системы), которые часто используют в качестве поляриза­торов.

Поляризаторы – устройства, пропускающие колебания вектора , па­раллельные плоскости поляризации самого поляризатора, и полностью задерживающие колебания, перпендикулярные к этой плоскости. Поляри­заторы применяются также для анализа света, прошедшего через вещество, в этом случае они называются анализаторами. Анализатор пропускает только те колебания светового вектора, которые совпадают с его главным направлением.

Рис. 3. Прохождение света через поляризатор и анализатор

Если анализатор ориентирован так, что его оптическая ось перпенди­кулярна оптической оси поляризатора, свет через анализатор не проходит. Если же оптические оси поляризатора и анализатора составляют угол , отличный от 90^о, то свет проходит, но при этом его амплитуда меньше ам­плитуды световых колебаний, падающих на анализатор. Вектор разла­гается на два компонента: параллельный главной плоскости анализа­тора () и перпендикулярный ей (). Это соответствует разложению ко­леблющейся волны на две волны, поляризованные во взаимно перпендику­лярных плоскостях. Через анализатор пройдет только парал­лельная составляющая , а перпендикулярная будет погашена (рис. 3). В этом случае интенсивность света вышедшего из анализатора бу­дет:

(1)

где I_А – интенсивность поляризованного света, вышедшего из анализатора; I_П – интенсивность плоско поляризованного света, вышедшего из поляри­затора. Соотношение (1) отражает закон Малюса: интенсивность света, прошедшего последовательно через поляризатор и анализатор, про­порциональна квадрату косинуса угла между плоскостями поляриза­ции поляризатора и анализатора.

Интенсивность света, прошедшего через два поляризатора (без учета поглощения), главные плоскости которых образуют угол , рассчитывается так:

(2)

Откуда (плоскости поляризаторов параллельны, ),
а (плоскости поляризаторов перпендикулярны, ).

Степень поляризации света оценивается по формуле:

, (3)

где и – соответственно максимальная и минимальная интенсив­ность поляризованного света.

Для плоско поляризованного света степень поляризации Р = 1, для естественного P = 0.

Не все кристаллы одинаково поглощают обыкновенный и необыкно­венный лучи. Явление избирательного поглощения обыкновенного и необыкновенного лучей называется дихроизмом. Это явление приме­няется при изготовлении поляроидов. Поляроиды – это тонкие (0,1 мм) пленки, на которые наносятся полимерные материалы (например, турма­лин, герапатит), обладающие дихроизмом.