Прохождение света через поляризатор. Закон Малюса

Поляризаторы представляют собой устройства для получения поляризованного света. К наиболее распространенным типам линейных поляризаторов относятся различные поляризационные призмы (Николя, Глана, Фуко и т.д.) и поляроидные пленки. Действие этих приборов основано на том, что они пропускают световые колебания лишь в определенной плоскости, которую называют плоскостью пропускания поляризатора (РР'). В поляризационных призмах это достигается за счет пространственного разделения обыкновенного и необыкновенного лучей, в поляроидах – за счет дихроизма, т.е. неодинакового поглощения обыкновенного и необыкновенного лучей.

В качестве примера рассмотрим призму Николя (николь) (рис. 6.15). Она состоит из природного кристалла исландского шпата в виде ромбоэдра (одноосный отрицательный кристалл), разрезанного на две равные части вдоль диагональной плоскости. Эти части склеены канадским бальзамом. Длина ромба в три раза больше его ширины, а углы при А и С его главного сечения равны 71°. Торцевые грани АВ и СD сполированы так, чтобы уменьшить этот угол до 68°. Направление оптической оси О'О' образует с входной гранью угол 48°.

Луч света, распространяющийся параллельно длинной стороне, разделяется в призме на два луча, обыкновенный (о) и необыкновенный (е). Направления колебаний вектора указаны на лучах: стрелками – колебания в плоскости рисунка и точками – колебания, перпендикулярные плоскости рисунка. Для обыкновенного луча канадский бальзам является менее плотной средой, для второго – более плотной (для кристалла исландского шпата n_e = 1,49; n ₀ = 1,66; для канадского бальзама n = 1,53). Можно показать, что на границе с канадским бальзамом для обыкновенного луча выполняются условия полного внутреннего отражения. Этот луч полностью отражается в направлении зачерненной грани АD, где он и поглощается. Необыкновенный луч проходит через призму, практически не испытывая бокового смещения, и выходит из нее линейно поляризованным, причем его вектор расположен в плоскости главного сечения (в плоскости пропускания поляризатора). Т.о. призма Николя дает линейно поляризованный свет с известным направлением колебаний светового вектора.

Устройство, аналогичное призме Николя, которое превращает свет с любыми типами поляризации в линейно поляризованный свет, называется поляризатором. Его можно также использовать в качестве анализатора, т.е. детектора линейно поляризованного света и его направления колебаний. Для этого призму нужно лишь поворачивать вокруг ее продольной оси и установить, существует ли положение, когда свет через нее не проходит. Если такое положение существует, то исследуемый свет линейно поляризован и направление колебаний его вектора перпендикулярно к главному сечению призмы.

Р и с. 6.15	Р и с. 6.16

При прохождении линейно поляризованного света через анализатор последний пропускает не все колебание, а только его составляющую А ₁₁, лежащую в плоскости пропускания анализатора РР' (рис. 6.16). Если амплитуда колебаний в падающей волне Е ₀, то в пропущенной – E ₀cos φ, где φ – угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью пропускания анализатора. Поскольку интенсивность световой волны пропорциональна квадрату ее амплитуды, то для интенсивности света I_φ на выходе из анализатора получим

,

где I ₀ – интенсивность падающего на анализатор линейно поляризованного света. Соотношение носит название закона Малюса.

В общем случае можно записать, что при вращении анализатора интенсивность прошедшего света может меняться от некоторого максимального (I _max) до минимального (I _min) значений.

1. Если I _min = 0, можно сделать однозначный вывод, что свет имеет линейную поляризацию, так как в соответствии с законом Малюса свет не проходит через анализатор, если плоскость пропускания последнего перпендикулярна к световому вектору.

2. Если I _max = I _min, свет является естественным или имеет круговую поляризацию (независимо от положения анализатор пропускает половину падающего на него светового потока). Здесь необходим второй этап анализа, который проводится с помощью пластинки ^” λ /4^” и анализатора.

3. Если I _min ≠ 0, можно говорить или об эллиптической или о частичной поляризации. Применяя дополнительно пластинку ^” λ /4^”, можно разделить и эти два случая.