Теоретичні відомості. Природне та поляризоване світло

Природне та поляризоване світло. Явища інтерференції та дифракції світла, які стверджують хвильову природу, не дають відповіді на запитання: світлові хвилі поздовжні чи поперечні? Однозначну відповідь на це запитання дає електромагнітна теорія світла. Із законів електромагнетизму і електромагнітної індукції випливає, що зміна у часі вектора напруженості електричного поля у даній точці простору супроводжується появою змінного магнітного поля напруженістю , спрямованого перпендикулярно до вектора і навпаки, будь-яка зміна у часі напруженості магнітного поля призводить до виникнення електричного поля. Вектори напруженості та завжди перпендикулярні. Ця зміна напруженості електричного та магнітного полів поширюється у просторі вздовж лінії, перпендикулярної до векторів та , утворюючи електромагнітні хвилі.

Отже, три вектори , та взаємно перпендикулярні (рис. 1), а звідси, світлові хвилі поперечні.

Рисунок 1 – Плоска електромагнітна хвиля.

Будь-яке джерело світла є сукупністю великої кількості окремих випромінювачів – атомів. Кожний окремий випромінювач дає хвилю, в якій вектори та коливаються у певному напрямку, перпендикулярному до напрямку поширення (до вектора ). В цілому дістаємо від джерела таке світло, яке є сукупністю світлових хвиль з усіма можливими напрямками коливань, перпендикулярними до напряму поширення. Світло з усіма можливими орієнтаціями вектора (і, отже, вектора ) називається природним або звичайним. На рис. 2 зображено схему розміщення векторів окремих хвиль, що утворюють промінь природного світла (вектор , який відповідає кожному з векторів на рисунку не зображений).

Рисунок 2 – Орієнтація вектора напруженості електричного поля у природному світлі.

Світло в якому напрями коливань впорядковані яким-небудь чином називається поляризованим. Із сукупності коливань природного світла завжди можна яким-небудь способом виділити коливання, що відбуваються в одній площині, яка проходить через напрям поширення світла. Світло, для якого коливання електричного вектора відбуваються в одній фіксованій площині, називається плоскополяризованим, а сама площина – площиною коливань. Площина , перпендикулярна до площини коливань, називається площиною поляризації. Світло, в якому який-небудь напрямок коливань вектора є переважаючим (але не єдиним), називається частково поляризованим світлом.

Поляризація світла при відбиванні і заломленні світла на межі двох діелектриків. Поляризація світла відбувається при відбитті і заломленні. При відбитті природного світла від поверхні діелектрика (скла, води та ін.) світло частково поляризується. При певному куті падіння поляризація стає повною. За законом, встановленим Брюстером, відбите світло повністю поляризується при куті падіння , що задовольняє умові:

Поляризація світла при подвійному променезаломленні. Поляризується світло також при проходженні через прозорі кристали, за винятком кристалів кубічної системи. При цьому відбувається явище подвійного променезаломлення. Якщо на кристал ісландського шпату падає вузький паралельний пучок світла (рис. 4), то з кристалу (при достатній його товщині) виходять два просторово розділені паралельні пучки світла. Це явище подвійного променезаломлення спостерігається навіть тоді, коли світлова хвиля падає на природну грань кристала перпендикулярно.

Рисунок 4 – Поляризація світла при проходженні через кристал ісландського шпату у напрямку, перпендикулярному до його оптичної осі.

Як показали дослідження, у будь-якому кристалі є один напрям (іноді два), по якому не відбувається подвійного променезаломлення. Цей напрям називається оптичною віссю кристала. Оптична вісь кристала не є якоюсь визначеною прямою. Для кристала ісландського шпату, який кристалізується у формі ромбоедра, оптичною віссю буде напрям, паралельний діагоналі, що сполучає тупі тілесні кути (рис. 5). Будь-яка площина, в якій лежать падаюча світлова хвиля і оптична вісь, називається головною площиною або головним перерізом кристала стосовно цієї хвилі.

Рисунок 5 – Оптична вісь кристалу ісландського шпату.

Один з променів, проходячи через кристал, підлягає закону заломлення, тобто для нього:

Цей промінь називається звичайним (на рис. 4 його позначено буквою ). Швидкість поширення його у кристалі в усіх напрямках однакова.

Другий промінь, який дістав назву незвичайного (на рис. 4 ), не підлягає законам заломлення. Його показник заломлення не є величиною сталою, а залежить від кута падіння. Отже, і швидкість поширення незвичайного променя всередині кристала залежить від напряму.

Слід зауважити, що яскравість обох променів при виході з кристалу однакова. Обидва промені плоскополяризовані у взаємно перпендикулярних площинах. Коливання електричного вектора відбуваються у площині, перпендикулярній до головної площини кристала, а коливання цього самого вектора незвичайного променя лежать у головній площині. Зрозуміло, що промені після виходу з кристала, за винятком того, що вони плоскополяризовані у взаємно перпендикулярних напрямах, один від одного нічим не відрізняються. Ось чому назва “звичайний” має зміст тільки для променів, що йдуть всередині кристала. У деяких кристалах один з променів поглинається сильніше за інший. Це явище називається дихроїзмом. У кристалі турмаліну звичайний промінь поглинається повністю на довжині . Такою ж властивістю володіє поляроїд – целулоїдна плівка в яку введена велика кількість однаково орієнтованих кристаликів сульфату йодистого хініну (у цих кристалах один з променів повністю поглинається на довжині ). Поляроїд може використовуватися для поляризації світла як поляризатор. Його застосовують також для захисту від сліпучої дії сонячного випромінювання.

Причиною подвійного променезаломлення є анізотропія кристалів, зокрема діелектричної проникності . Внаслідок цього показник заломлення буде змінюватися з напрямом у кристалі, оскільки:

а швидкість поширення світла:

Подвійне променезаломлення може виникати і у прозорих ізотропних середовищах, а також у кристалах кубічної системи під впливом різних зовнішніх впливів, зокрема механічних деформацій тіл. На штучному подвійному променезаломленні базується оптичний метод дослідження напружень. Залишкові напруження також призводять до штучної оптичної анізотропії. Тому оптичний метод використовується для перевірки скляних виробів на відсутність у них шкідливих напружень. Такий метод є дуже чутливим. В рідинах (і в аморфних твердих тілах) під дією електричного поля також виникає подвійне променезаломлення. Це явище називається ефектом Керра. Воно спостерігається також і в газах.

Іноді виникає потреба позбутися одного з променів, що утворилися при подвійному променезаломленні. Щоб мати світло, поляризоване тільки в одному напрямі. Досягають цього по-різному. Найчастіше для цього використовують поляризаційні призми. Найпоширенішими з них є призма Ніколя (ніколь) і стопа.

Поляризаційні пристрої поділяють на:

– пристрої, що дають тільки лінійно поляризоване світло;

– пристрої, що дають дві поляризовані у взаємно перпендикулярних площинах хвилі.

Прилади, які дають поляризоване світло, називають поляризаторами. Поляризаторами є призма Ніколя, стопа Столетова і ін. Прилади, за допомогою яких можна виявити ступінь і орієнтацію площини поляризації світла, називаються аналізаторами. Аналізаторами можуть бути ті самі прилади, які є поляризаторами.

Призма Ніколя. Ніколь виготовляють з кристала ісландського шпату, як зображено на рис. 6. Призма розрізана по діагональній площині та склеєна канадським бальзамом, показник заломлення якого лежить між та для звичайного і незвичайного променів. Промінь світла, що падає на грань призми, розділяється на два промені. Звичайний промінь, який заломлюється більше, падає на межу з канадським бальзамом під кутом більшим, ніж граничний, і зазнає повного внутрішнього відбивання, оскільки . Цей промінь падає на бічну грань і виходить з кристала. Для запобігання нагрівання призми звичайний промінь виводиться з неї за допомогою приклеєної призми (вона на рисунку показана пунктирними лініями). Часто грань покривають чорною фарбою і звичайний промінь вбирається нею. Тоді з призми виходить тільки один плоскополяризований промінь. Ніколь не використовують в ультрафіолетовій області спектру через поглинання його канадським бальзамом.

Рисунок 6 – Поляризація світла при проходженні через призму Ніколя.

Стопа Столетова. Стопа складається з складених разом плоско паралельних пластинок (рис. 7). При падінні під кутом Брюстера поляризація заломлених променів для звичайного скла максимальна, але далеко не повна і становить близько . Отже, якщо тепер частково поляризовані світлові хвилі, що пройшли через одну скляну пластинку примусити пройти через другу, третю і т.д., то ступінь поляризації заломлених хвиль зростає. При пластинках заломлене світло практично повністю буде поляризоване. Велике послаблення інтенсивності поляризованого світла робить такі пристрої не вигідними у практичному застосуванні.

Рисунок 7 – Стопа Столєтова.

Поляризація світла знайшла широке застосування у наукових дослідженнях кристало-хімічної і магнітної структури твердих тіл, оптичних властивостей кристалів, характеру поведінки газоподібних, рідких і твердих тіл у різних полях (електричному, магнітному, світловому), а також для одержання інформації з важкодоступних об’єктів (зокрема, в астрофізиці). У побуті явище поляризації застосовується у фотографії (рис. 8).

Рисунок 8 – Вплив поляризаційного фільтра у фотографії. Ліва фотографія зроблена без поляризатора. Права фотографія: встановлено фільтр для усунення частково поляризованого розсіяного голубого світла з неба.