Поляризация естественного света

Поляризация света при отражении от различных поверхностей. Если пучок лучей естествен­ного света падает на гладкую поверхность изотропного тела (не металлического), то отраженный свет оказывается частично или полностью поляризованным.

Степень поляризованности отраженного света зависит от ве­щества, отражающего свет, и от угла падения лучей. При некото­ром определенном угле падения отраженные лучи будут полностью поляризованными. Этот угол называется углом полной поляриза­ции.

Полная поляризация света при отражении от диэлектрика наблюдается, когда угол между отраженным лучом и лучом преломленным равен 90° (рис. 14).

Рис.14. Угол полной поляризации

Эту закономерность установил еще в 1815 году английский физик Д. Брюстер (D. Brewster), согласно которой угол полной поляризации можно найти из закона Брюстера по формуле:

tg α₀=n,

где α₀ – угол полной поляризации (угол Брюстера); n – показатель преломления среды, при входе в которую происходит прелом­ление световых лучей. Углы полной поляризации представлены в таблице 1.

Таблица 1. Углы полной поляризации для различных веществ.

На практике закон Брюстера выполняется недостаточно строго, поскольку в отражающей поверхности диэлектрика существует очень тонкий переходной слой, в котором показатель преломления воздуха на показатель преломления среды n изменяется не скачком, а непрерывно меняется.

Поляризация естественного света не происходит на поверхности металлов, как бы хорошо она ни была отполирована. Зеркала, покрытые металли­ческим слоем, отражают естественный свет, также не поляризуя его. Причина заключается в том, что металлы сильно поглощают свет. Основ­ная часть света (90% и более), падающая на гладкую поверхность металла, отражается. Та же часть, которая проходит внутрь метал­ла, испытывает полное поглощение в тончайшем верхнем слое. Можно сказать, что в металлах нет преломленной волны. Поляри­зация же возникает от неодинакового распределения компонент вектора электрической напряженности между отраженной и преломленной волна­ми. Когда нет преломленной волны, то отраженная волна не может быть поляризована.

Итак, блестящая поверхность металла не создает поляризован­ного света из падающего на нее света неполяризованного. Однако было бы неверно делать из этого факта поспешный вывод, что по­верхность металла не оказывает влияния и на поляризованный свет. После отражения от металла линейно поляризованный свет превра­щается всвет, поляризованный по кругу. Это имеет немаловажное практическое значение, о чем будет сказано несколько ниже.

Поляризация света при преломлении. При падении естественно­го света на гладкую поверхность, разграничивающую две прозрач­ные среды, часть его отражается, а часть, претерпев преломление, проходит далее внутрь второй среды. Преломленные лучи света также оказываются отчасти поляризованными. Когда угол падения естественного света равен углу полной поляризации, степень поляризованности преломленных лучей будет наибольшая, однако да­леко не полная (для обычного стекла около 15%). Чтобы ее увели­чить, можно подвергнуть преломленные лучи второму, третьему и т. д. преломлениям. Достаточно преломлений в 8…10 наложенных друг на друга стеклянных пластинках, чтобы при падении света под углом полной поляризации не только отраженный, но и пре­ломленный свет стал практически полностью поляризованным. Та­ким образом, стопка пластинок может служить поляризатором. Для разных областей спектра применяют стопки пластинок из разных материалов. Для видимой области спектра практичнее всего раз­личные сорта стекла, для ультрафиолетовой – плавленый кварц, для инфракрасной – хлористое серебро, селен.

Поляризация света при рассеянии. Проходя сквозь атмосферу, лучи солнечного света встречают на своем пути молекулы газов и всевозможные мелкие частицы, размеры которых меньше длины световой волны. Происходящее рассеяние света в атмосфере сопро­вождается его частичной поляризацией. В атмосфере сте­пень поляризации света наибольшая под углом 90° к лучу солнеч­ного света и составляет от 75 до 84% от всего количества света, рассеянного в данном направлении.

Поляризация света при двойном лучепреломлении в кристаллах. Большинство прозрачных кри­сталлов представляет собой анизотропную среду, оптические свой­ства которой (скорость распространения света и коэффициент пре­ломления) зависят от направления распространения световой вол­ны. Оптическая анизотропия обусловлена структурой кристаллической решетки. Только кристаллы самой простой формы – кубиче­ской, в которых межатомные расстояния одинаковы по всем трем главным осям, являются изотропными, и свет проходит через них без каких-либо изменений.

Все остальные типы кристаллических решеток: ромбическая, моноклинная, триклинная и гексагональная – обла­дают свойством двойного лучепреломления. В этих кристаллах ес­тественный свет проходит без изменений только тогда, когда луч направлен вдоль оптической оси. По всем другим направлениям скорость распространения света внутри кристалла зависит от плос­кости электромагнитных колебаний. Проходя через кристалличе­скую решетку анизотропного кристалла, свет поляризуется. А так как скорость распространения световой волны в анизотропном челе зависит от положения плоскости поляризации, то пучок естествен­ного света расщепляется на два луча: обыкновенный и необыкно­венный, которые поляризованы во взаимно перпендикулярных пло­скостях.

Наиболее известным и применяемым в поляризационно-оптических приборах является исландский шпат (СаСО₃ – кальцит), из кристал­лов которого изготовляются призмы Николя, называемые так поимени изобретателя, английского физика У.Николя (W.Nicol, 1828 г.).

Призма Николя (или просто «николь») схематически изобра­жена на рис.15. При изготовлении призмы Николя грани АВ и CD исландского шпата сошлифовываются до 68°, а сам кристалл распиливается по линии АС и склеивается специальным клеем – канадским (пихтовым) бальзамом, имеющим показатель преломления n =1,54.

Величина этого показателя занимает промежуточное значение между показателем преломления для обыкновенного луча (n_о=1,658) и для луча необыкновенного (n_е=1,486). На границе склеивающего слоя первый луч падает из более оптически плотной среды на менее плотную и при соответственно выбранном угле падения (который и предусмотрен в призме Николя) претер­певает полное внутреннее отражение и через призму не проходит, а отклоняется в сторону зачерненной боковой поверхности призмы, где и поглощается. Необыкновенный луч ни при каком угле паде­ния не может претерпеть полного внутреннего отражения, потому что он переходит из среды менее оптически плотной в среду более плотную. Поэтому он проходит сквозь призму. Вышедший из приз­мы свет является линейно поляризованным.

Поляризация света при дихроизме. Дихроизм – это анизотро­пия поглощения, зависимость поглощения света некоторыми тела­ми от его поляризации. Дихроизм был открыт в начале XIX века на монокристаллах турмалина в экспериментах Малюса. Кристалл турмалина обладает двойным преломлением, а кроме того, очень сильно поглощает один из преломленных лучей (обыкновенный). В результате этого даже тонкая пластинка турмалина, когда на нее падает естествен­ный свет, пропускает только линейно поляризованный свет.

Дихроизм свойствен не одним кристаллам, но и многочислен­ным некристаллическим телам, которые обладают естественной или искусственно созданной анизотропией. Если каким-либо обра­зом ориентировать в избранном направлении все или значительную часть молекул вещества, то появится дихроизм. Явление дихроизма используется при создании жидкокристаллических экранов, а также индикаторов на жидких кристаллах и в других устройствах.

Поляризационные светофильтры. Первым светофильтром, спо­собным выделить из естественного света линейно поляризованные лучи, был монокристалл полудрагоценного минерала турмалина. Кристалл турмалина обладает как свойством двойного лучепреломления, так и дихроизмом. Он очень сильно поглощает один из преломлен­ных лучей. Если из кристалла турмалина вырезать тонкую (около 1 мм толщиной) пластинку с гранями, параллельными главной кри­сталлической оси, то сквозь такую пластинку проходит только поч­ти вполне поляризованный свет. Недостаток турмалина заключа­ется в том, что он является не только поляризатором (или анализатором), но одновременно еще и цветным светофильтром, пропус­кающим свет лишь в узкой желто-зеленой области спектра. Вслед­ствие этого недостатка, а также по причине редкости и дороговизны монокристаллы турмалина не могли найти широкого применения, но в прошлом веке они сыграли свою роль при открытии и исследо­вании ряда поляризационных явлений.

В 1938 году был изобретен способ изготовления поляризацион­ных светофильтров, получивших название поляроидов, представ­ляющих собой анизотропные пленки, активированные анизотроп­ными молекулами некоторых веществ или анизотропными микрокристаллами. Степень поляризованности естественного света по­ляроидами высокого качества может достигать 99%. Поляроидные пленки могут иметь большие размеры, достаточные для установки их не только перед объективом телекамеры, но и перед осветительными приборами.

Полимерную пленку, состоящую из весьма длинных, линейных, вытянутых макромолекул, в нагретом и размягченном состоянии подвергают сильному механическому растяжению в определенном направлении.

При этом полимерные молекулы ориентируются свои­ми длинными осями вдоль направ­ления растяжения и пленка стано­вится анизотропной. Если при этом в полимере растворено вещество, молекулы которого также анизо­тропны по форме и обладают высо­ким дихроизмом, то упорядоченная и ориентированная матрица микро­молекул полимера, образующаяся при растяжении, ориентирует и эти примесные молекулы. Такая пленка становится поляризатором света, то есть поляроидом.

Для изготовления поляроидов применяют чаще всего полимер, на­зываемый поливиниловым спиртом. Растяжение осуществляется с помощью валов, вращающихся с разной скоростью. Для актива­ции применяются различные вещества и разные методы активации. Современные поляризационные фильтры работают во всем диапазоне видимого спектра. Однако во многих в коротковолновой части степень поляризации пропускаемого света уменьшается, а пропускание света составляет 50% и менее.

Светофильтры с круговой поляризацией. Чтобы создать круговой поляризатор, нужно на линейный поляризатор (поляроид) наклеить задержи­вающую пластинку «1/4 длины волны» – λ/4. Ось пропускания поляроида должна образовать угол 45° с оптическими осями пластинки. «Вход» кругового поляризатора находится со стороны поляроида, а «Выход» – со стороны пластинки.

Круговой поляризатор можно использовать как анализатор. Он пропустит поляризованный по кругу свет с такой же спиральностью, какую сам создает, но поглотит свет с противоположной спиральностыо.

Если между двумя поляроидами, ориентированными относи­тельно друг друга так, чтобы свет не проходил, поместить кусок обычного чистого целлофана, который употребляется, например, для обертки пищевых продуктов или цветов, то обнаружится, что свет через скрещенные поляроиды проходит.

Чтобы объяснить изменение поляризации света с помощью цел­лофана, следует предположить, что он меняет относительные фазы различных поляризационных компонент проходящего свега.

Легко обнаружить что существуют два угла, сдвинутых на 90°, при которых действие целлофана наибольшее, и два угла с таким же сдвигом в 90°, при которых действие целлофана не сказывает­ся. Таким образом, в целлофане существуют два взаимно перпен­дикулярных направления, лежащих в плоскости целлофана, кото­рые связаны со свойством образования фазового сдвига различных поляризационных компонент света.

Не всякий прозрачный пластик обладает этим специфическим свойством, но его можно создать путем растягивания пластика. Под действием сил растяжения бессистемно расположенные органичес­кие молекулы пластика вытянутся вдоль направления силы. Таким образом, в куске пластика, у которого нет оптических осей, они создаются искусственно.

Направление растяжения пластика и перпендикулярное направ­ление (лежащие в одной плоскости) называются оптическими ося­ми. Из этих двух осей та ось, которой отвечает наибольший коэф­фициент преломления, называется медленной осью, так как боль­ший показатель преломления означает меньшую фазовую скорость. Другая оптическая ось называется быстрой.

Слой целлофана, или пластинка, обладающий такими свойства­ми, называется задерживающей пластинкой.

Задерживающая пластинка не может поляризовать естествен­ный (неполяризованный) свет. Но сложенная с поляроидом, задер­живающая пластинка «1/4 длины волны» превращает линейно по­ляризованный свет в свет, поляризованный по кругу, и наоборот. Световая волна на выходе из задерживающей пластинки имеет одинаковые амплитуды для быстрой имедленной компонент, по быстрая компонента опережает медленную компоненту на 90°.