I. Теоретичні відомості

Світло – це сукупність електромагнітних хвиль, в якій у взаємно перпендикулярних площинах коливаються за гармонічним законом електричний та магнітний вектори. Світлова хвиля випромінюється окремим атомом за 10^-8 с. Будь-яке реальне джерело світла складається з великої кількості атомів. Тому таке світло складається з великої кількості електромагнітних хвиль, коливання електричного вектора в яких відбувається в різних площинах.

Площина, в якій відбуваються коливання вектора , називається площиною коливань, а перпендикулярна до неї (площина, в якій відбуваються коливання вектора ) – площиною поляризації.

Промені, в яких коливання вектора відбуваються в одній площині називаються поляризованими. Якщо коливання відбуваються в різних площинах але мають переважаючий напрям, то промені називаються частково поляризованими. Якщо ж коливання електричного вектора є у всіх площинах рівноймовірним, тобто не має переважного напряму коливань, то таке світло називається природним.

Поляризовані промені можна отримати кількома способами: при відбиванні від металевих поверхонь, при заломленні, при проходженні променів через кристали. В останньому випадку кристал повинен володіти явищем двозаломлення світла.

Світло, що випромінюється окремим атомом, є електромагнітною хвилею, тобто сукупністю коливань векторів напруженостей електричного і магнітного полів у взаємоперпендикулярних площинах. Світло (промінь), у якого електричні коливання здійснюються весь час в одній площині (або вздовж одного напряму), називається поляризованим світлом (променем). При цьому магнітні коливання здійснюються в іншій (перепендикулярній) площині, що називається площиною поляризації світла. З даного визначення слідує, що світло, яке випромінюється окремим атомом, є поляризованим. Промінь поляризованого світла можна схематично зобразити, як на рис.1 а (промінь перпендикулярний до площини малюнка), вектори відповідають амплітудним значенням напруженості Е електричного поля. Будь-яке реальне джерело світла складається з великої кількості атомів, що випромінюють незалежно, тобто випускають світлові хвилі з різними орієнтаціями площини коливань. Ці хвилі накладаються одна на одну, в результаті чого будь-якому променю, що відходить від реального (природного) джерела світла, буде відповідати велика кількість різно орієнтованих площин коливань. Це – неполяризоване світло (промінь) або природне. При проходженні природного світла крізь середовище, анізотропне у відношенні електричних коливань, коливання вектора напруженості Е електричного поля могли б здійснюватися тільки вздовж одного певного напрямку.

а) б) в)

Рис.1.

Згідно з електромагнітною теорією Максвелла змінне електричне поле світлової хвилі індукує (наводить) в кристалічному діелектрику змінний поляризаційний струм, тобто змінне зміщення заряджених частинок (атомів, йонів), що входять в кристалічну гратку. Внаслідок анізотропії кристала можливе зміщення його частинок, а отже, сила поляризаційного струму виявляється неоднаковою для різних площин кристалічної гратки. Очевидно, що світлова хвиля, яка проходить в площині, що відповідає значним можливим зміщенням частинок, викликає сильний поляризаційний струм і тому практично повністю поглинається кристалом. Якщо ж світлова хвиля проходить в площині, що відповідає малим зміщенням частинок, то вона викликає слабкий поляризаційний струм і проходить крізь кристал без суттєвого поглинання.

Таким чином, з електричних коливань природного світла, що мають різні напрями, через кристал проходять (без поглинання) тільки ті коливання, які здійснюються в площині, що відповідає мінімуму поляризаційного струму. Інші коливання в тій чи іншій мірі послаблюються, так як крізь кристал проходять тільки їх проекції на цю площину (рис.2.). В результаті у світла, що пройшло крізь кристал, електричні коливання здійснюються лише в певній площині, тобто світло виявляється поляризованим.

Із природного світла можна отримати поляризоване, якщо пропустити його через оптично анізотропний кристал з оптичною віссю (наприклад, турмалін, герапатит). Анізотропними називаються речовини, властивості яких різні в різних напрямах. Оптичною віссю в кристалі називається уявна пряма, відносно якої атоми в кристалічній гратці розташовані симетрично.

Природне світло (рис.3), пройшовши через пластинку герапатиту 1, що вирізана паралельно оптичній осі О₁О¢₁ крис­тала, повністю поляризу­ється, тому має елект­ричні коливання тільки в головній площині Q₁, тоб­то площині, яка містить оптичну вісь та промінь. Помістимо на шляху ходу променя за пластинкою герапатиту 1 таку ж саму пластинку 2. Орієнтуємо пластинку 2 так, щоб її оптична вісь О₂О¢₂ була перпендикулярна оптичній осі О₁О¢₁ пластинки 1. Тоді через пластинку 2 промінь не пройде, бо його електричні коливання перпендикулярні головній оптичній площині Q₂ пластинки 2.

Пластинка 1, яка поляризує світло, називається поляризатором. Пластинка 2, яка виявляє ступінь поляризації світла, називається аналізатором. Якщо ж оптичні осі пластинок 1 і 2 будуть утворювати кут a, відмінний від 90^о, то промінь буде проходити через пластинку 2 з частковою втратою амплітуди електричних коливань. Для амплітуди Е ₀ електричних коливань падаючого на пластинку 2 поляризованого світла та амплітуди Е електричних коливань, що пройшли через пластинку 2 (рис.2), отримаємо

. (1)

Врахувавши, що I ~ E ², з (1) отримаємо закон Малюса:

, (2)

де I ₀ – інтенсивність поляризованого світла, що падає на пластинку 2, I - інтенсивність поляризованого світла, яке пройшло через пластинку 2. Таким чином, повертання поляризатора навколо поляризованого променя приводить до зміни інтенсивності світла, що проходить через цей поляризатор.

Згідно закону Малюса, максимум інтенсивності буде при a = 0^о (оптичні осі поляризаторів паралельні), мінімум ‑ при a = 90^о (оптичні осі поляризаторів перпендикулярні).

Плоска поляризація світла спостерігається не тільки при його проходженні крізь кристали, але і при заломленні і відбиванні на межі ізотропних діелектричних середовищ. В цьому випадку відбитий і заломлений промені частково поляризуються у взаємно перпендикулярних площинах (у заломленого світла електричні коливання здійснюються переважно у площині падіння). Ступінь поляризації залежить від кута падіння. При деякому визначеному куті падіння відбите світло виявляється повністю поляризованим (заломлений промінь залишається частково поляризованим).

Кут повної поляризації залежить від відносного показника заломлення відбиваючого середовища (закон Брюстера):

tg = n_2,1.

При цьому відбитий і заломлений промені виявляються взаємно перпендикулярними (рис.4). Для скла, наприклад, кут поляризації =57⁰.

Рис.21

Існують три способи одержання поляризованого світла:

1. Заломлення в кристалах.

2. Відбиття від неметалевих дзеркал.

3. Заломлення в стопі скляних пластинок.