Цветные фазовые пластинки. Фазовые клинья

Все предыдущие эксперименты проводились с достаточно тонкими фазовыми пластинками, такими, что оптическая разность хода между ортогонально поляризованными компонентами составляла доли длины волны. При вращении анализатора изменялась интенсивность света, прошедшего через пластинку, однако цветовые эффекты отсутствовали. Изображение на экране было черно-белым.

Аналогичные эксперименты с более толстыми фазовыми пластинками сопровождаются цветовыми эффектами, которые объясняются следующим образом. Рассмотрим, например, полуволновую фазовую пластинку из анизотропного кристалла с разностью показателей преломления Δn для ортогонально поляризованных световых пучков. Разность фаз δ, создаваемая этой пластинкой, определяется известной формулой

Для тонкой полуволновой фазовой пластинки δ = π. Если эта пластинка изготовлена из кварца (Δn = 0,01), то для длины волны λ = 0,6 мкм ее толщина составляет d = 50 λ = 30 мкм. Видимый свет занимает диапазон длин волн от λ = 0,4 мкм (фиолетовый край) до λ = 0,75 мкм (красный край). Таким образом, длины волн видимого спектра изменяются примерно на одну треть относительно середины диапазона. Можно показать, что в рассматриваемом случае полуволновая пластинка ведет себя практически одинаково для всех длин волн. Поэтому никаких заметных цветовых эффектов при вращении анализатора не наблюдается.

Иначе обстоит дело в случае толстых пластинок. Пусть толщина пластинки равна 150 мкм. Такая пластинка, по-прежнему, является полуволновой для длины волны λ = 0,6 мкм, так как создает разность фаз 5π между ортогонально поляризованными световыми пучками. В отличие от предыдущего случая, теперь в интервале длин волн видимого света имеются такие длины волн, для которых пластинка является не полуволновой, а волновой. Эти длины волн удовлетворяют условию λ₁ = 5λ/4, 5λ/6, т. е. 0,75 мкм, 0,5 мкм. Излучение с длиной волны 0,75 мкм практически не различается глазом (темнокрасный, почти черный цвет), а вот 0,5 мкм – это яркий зеленый цвет. Поведем итог, наша фазовая пластинка является полуволновой для длины волны 0,6 мкм (красно-оранжевый цвет) и волновой для 0,5 мкм (зеленый цвет). Если мы расположим эту пластинку под углом 45⁰ к осям пропускания поляризатора и анализатора, а угол между этими осями сделаем равным 90⁰ (скрещенные поляризаторы), то на общем темном фоне мы увидим красную пластинку (рис. 8.63а). Ведь при такой юстировке пластинка поворачивает линейную поляризацию света с длиной волны 0,6 мкм на 90⁰, обеспечивая прохождение этого света через анализатор. Свет с длиной волны 0,5 мкм при этом не проходит через поляризатор, так как его поляризация перпендикулярна оси пропускания анализатора. Если повернуть анализатор на 90⁰ (параллельные поляризаторы), то пластинка будет окрашена в зеленый цвет, так как в этом случае поляризация красного света оказывается перпендикулярной оси пропускания анализатора (рис. 8.63б). Цвета пластинки при скрещенной и параллельной ориентации поляризаторов называются дополнительными.

Рис. 8.63. Цвета толстых фазовых пластинок.

Аналогично объясняется цветовые эффекты при вращении анализатора, когда между поляризаторами помещена произвольная фазовая пластинка. Следует иметь в виду, что для очень толстых фазовых пластинок (порядка нескольких сотен микрометров и более) цветовые эффекты становятся все менее и менее яркими, так как такие пластинки одинаково преобразуют форму поляризации на многих отличающихся по цвету длинах волн.

Для изготовления фазовых пластинок, как было сказано выше, используются анизотропные кристаллы – кварц, гипс, исландский шпат и другие. Полезно показать эти материалы в том виде, в каком они существуют в природе. Например, пластины слюды, имеющие слоистую структуру, будучи помещенными между поляризаторами, образуют нерегулярное цветное изображение на экране. При вращении анализатора цвета изображения периодически меняются на дополнительные.

С помощью кусочков анизотропного материала можно сложить мозаичные картины, которые при вращении анализатора эффектно меняют цвета на дополнительные (рис. 8.64). В российских и зарубежных вузах бережно хранят такие красивые экспонаты, изготовленные в конце XIX – начале XX века.

а	б

Рис. 8.64. Мозаичные картины из анизотропных материалов.

В поляризационных экспериментах часто используют компенсаторы – фазовые пластинки переменной толщины, представляющие собой два клина из анизотропного материала. При помещении одного такого клина между поляризаторами на экране образуется периодическая система цветных спектров (рис. 8.65а). При вращении анализатора эта система спектров смещается вдоль клина в ту или другую сторону. Если положить один клин на другой, то область пересечения будет иметь однородную окраску, которую можно менять, смещая клинья друг относительно друга (рис. 8.65б).

Рис. 8.65. Фазовые клинья.

В этом случае система из двух фазовых клиньев называется компенсатором (например, компенсатор Бабине, Солейля и другие). С помощью таких компенсаторов можно производить непрерывную смену формы поляризации света.

Дата добавления: 2014-01-04