Поляризация света

(Поляризация света. Плоскополяризованный свет. Способы получения плоско поляризованного света. Призма Николя. Закон Малюса. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков. Закон Брюстера. Двойное лучепреломление. Явление дихроизма. Эффект Керра. Поляроиды и поляризационные призмы. Вращение плоскости поляризации. Интерференция поляризованного света. Практическое применение поляризации.)

Естественный и поляризованный свет

Свет, излучаемый отдельным атомом – это электро­магнитная волна, т. е. совокупность двух поперечных взаимно пер­пен-дикулярных волн — электрической (образованной колебанием век­тора напряженности электрическо­го поля ) и магнитной (образо­ванной колебанием вектора напряженности магнитного поля ), идущих вдоль общей прямой , на­зываемой световым лучом (рис. 4-1).

Свет, у которого колебания век­тора - напряженности электрическо­го поля каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным. Вектор напряженности магнитного поля колеблется в другой (перпендику­лярной) плоскости (названной плоскостью поляризации света ).

Опыт и теория показывают, что физиологическое, химическое и другие виды воздействия света на вещество обусловлены главным образом электрическими колебаниями[1]. Поэтому, а также для упро­щения рисунков, изображающих световую волну, мы бу­дем в дальнейшем говорить только об электрических колебаниях, а плоскость, в которой они совершаются, называть плоскостью све­товых колебаний, или плоскостью колебаний.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов, которые излучают независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая всем телом, характеризуется всевозможными рав­новероятными колебаниями светового век­тора (рис. 4-2,а; луч перпендикулярен плоскости рисунка). Рав­номерное распределение векторов объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитуд векторов - одинаковой интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможны­ми равновероятными ориентациями векто­ра (и вектора ) называется естественным.

Если в результате внешних воздействий появляется преобладающее на­правление колебаний вектора , то свет называется частично поляризованным (рис. 4-2, б). Свет, в котором вектор колеблется только в одном направлении, перпендику­лярном лучу (рис. 4-2, в), называется плоскополяризованным (линейно поляри­зованным).

Плоскополяризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света — света, для которого вектор (вектор ) со временем описывает эллипс в плоскости, перпендикулярной лучу. Если эллипс вырождается в прямую, то имеем дело с рассмотренным выше плоскополяризо­ванным светом, если в окружность, то имеем дело с циркулярно поляризованным (поляризованным по кру­гу) светом.

Степенью поляризации называется ве­личина

(4-1)

где и — максимальная и мини­мальная интенсивности света. Для естественного света =и Р = 0, для плоскополяризованного света = 0 и Р = 1.

Естественный свет можно преобразо­вать в плоскополяризованный, используя поляризаторы, пропуска­ющие колебания определенного на­правления (например, пропускающие ко­лебания, параллельные плоскости поляри­затора, и полностью задерживающие колебания, перпендикулярные этой плоскости). В качестве поляризаторов используются среды, анизотроп­ные в отношении колебаний вектора , например кристаллы турмалина. В каждом кристалле имеется направление, относительно которого атомы (или ионы) кристаллической решетки расположены симметрично. Направление в оптически анизотропном кристалле, по которому луч света распространяется, не испытывая двойного лучепреломления, называет­ся оптической осью кристалла. У некоторых кристаллов имеется два таких направления; эти кристаллы называются двухосными. Турмалин относится к одноосным кристаллам. Подчеркнем, что оптическая ось — это не одна линия, а определенное направление в кристалле; все прямые, про­веденные в кристалле параллельно этому направлению, являются оптическими осями. Кристал­лы в зависимости от типа их симметрии бывают одноосные и двуосные, т. е. имеют одну или две оптические оси (к первым и относится исландский шпат).

Турмалин представляет собой двояко-преломляющий кристалл, в котором один из лучей (обыкновенный) поглощается значительно сильнее, чем другой. Поэтому из пластинки турмалина оба луча, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, выходят с весьма различной интенсивностью, и прошед­ший через нее свет оказывается частично поляризованным. Если взять достаточно толстую (около 1 мм) пластинку турмалина, то в случае видимого света обыкновенный луч практически целиком поглощается и вышедший свет будет плоскополяризованным.

Различие в поглощении лучей разной поляризации влечет различие в поглощении естественного света в зависимости от направ­ления его распространения, т.к. от этого зависит ориен­тация электрического вектора волны относительно кристаллографических направлений. Такое различие в поглощении, зависящее, кроме того, от длины волны, приводит к тому, что кристалл по разным на­правлениям оказывается различно окрашенным. Это явление носит название дихроизма. Оно было открыто Кордье (1809 г.) на минерале, названном кордиеритом. Дихроизм турмалина был обнару­жен Био и Зеебеком (1816 г.).

Естественный луч, прошедший через пластинку тур­малина 1, вырезанную параллельно оптической оси ОО ' кристалла, полностью поляризуется и имеет электрические колебания только в главной плоскости Q (главном сечении кристалла), т.е. в плоскости, проходящей через направ­ление луча света и оптическую ось кристалла (рис. 4-3).

Если естественный луч идет вдоль оптической оси, то все его электрические колебания перпендикулярны ей. В таком случае (благодаря симметричному рас­положению частиц кристалла относительно оптической оси) все электрические колебания совершаются в одинаковых условиях и все они проходят через кри­сталл. Поэтому
естественный луч, идущий вдоль оптической оси, не поляризу­ется.

Если за пластинкой 1 помещена вторая пластинка турмалина 2, ориентированная так, что ее оптическая ось перпендикулярна оптической оси пластинки 1, то через вторую пластинку луч не пройдет, т.к. его эле­ктрические колебания перпендикулярны гла­вной плоскости Q пластинки 2. Если же оп­тически оси пластинок 1 и 2 составляют угол a, отличный от 90⁰, то свет проходит через пластинку 2. Амплитуда световых колебаний, прошедших через пластинку 2, будет меньше амплитуды световых колебаний, падающих на эту пластинку (рис. 4-4):

.

Интенсивность света пропорциональна квадрату ампли­туды световых колебаний, поэтому

, (4-2)

где I ₁ — интенсивность света, падающего на пластинку 2,

I — интен­сивность света, прошедшего через эту пластинку.

Соотношение (4-2) называется законом Малюса [2].

Таким образом, поворот пластинки 2 вокруг поляризованного лу­ча приводит к изменению интенсивности света, прошедшего через эту пластинку; максимум интенсивности имеет место при a = 0°, минимум (соответствующий полному гашению света) — при a = 90°.

Пластинка 1, поляризующая естественный свет, называется поля­ризатором. Пластинка 2, служащая для анализа степени поляризации, называется анализатором. Обе пластинки совершенно одинаковы (их можно поменять местами); эти назва­ния характеризуют лишь назначение пластинок.

При пропускании естественного света че­рез две пластины, плоскости которых образуют угол a, то из первой выйдет плоскополяризованный свет интенсив­ностью , из второй, со­гласно (4-2), интенсивно­стью .

Следовательно, интенсивность света, прошедшего через две пластинки,

,

Откуда

(пластинки па­раллельны) и

(пластинки скрещены).

4.2. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков

Если угол падения света на границу раздела двух ди­электриков не равен нулю, отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными[3]. В от­раженном луче преобладают колебания, перпендикуляр­ные к плоскости падения (на рис. 4-5 они обо­значены точками), в преломленном луче — колебания, параллельные плоскости падения (на рисунке они изо­бражены стрелками). Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления. Шотландский физик Д. Брюстер (1781-1868) в 1815 г. установил закон, согласно которому угол полной поляризации a_B зависит от относительного показателя преломления отражающей среды

. (4-3)

. Следовательно ,

но =- закон отражения, поэтому .

Отраженный луч является плоскополяризованным (со­держит только колебания, перпендикуляр­ные плоскости падения), пре­ломленный луч пре­ломленный луч оказывается частично по­ляризованным. Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендику­лярны.

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена (многократным преломлением при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера). Если, на­пример, для стекла степень по­ляризации преломленного луча составляет»15 %, то после преломления на 8-10 наложенных друг на друга стеклянных пластинок вышедший из такой системы свет будет практически полностью поляри­зованным. Такой набор пластинок называется стопой Столетова.

4.3. Двойное лучепреломление. Призма Николя

Все прозрачные кристаллы (кроме кристаллов кубической системы, которые оптически изотропны) обладают способно­стью двойного лучепреломления, т. е. раз­двоения каждого падающего на них светового пучка. Это явление, в 1669 г. обнаружено датским ученым Э.Бартолином (1625—1698) для исландского шпата (разновидность каль­цита СаСОз).

Если на толстый кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу (рис. 4-6). Даже в том случае, когда первичный пучок пада­ет на кристалл нормально, преломленный пучок разделяется на два, причем один из них является продолжением первичного, а второй отклоняется (рис.4-7). Второй из этих лучей получил название необыкно­венного (е), а первый — обыкновенно­го (о).

Анализ поляризации света показывает, что вышедшие из кристалла лучи плоско поляризованы во взаимно перпенди-кулярных плоскостях: колебания светового вектора (вектора на­пряженности электрического поля) в обыкновенном луче происходят перпен­дикулярно главной плоскости, в необыкно­венном — в главной плоскости.

Неодинаковое преломление обыкно­венного и необыкновенного лучей указы­вает на различие для них показателей преломления. При любом направлении обыкновенного луча колеба­ния светового вектора перпендикулярны оптической оси кристалла, поэтому обык­новенный луч распространяется по всем направлениям с одинаковой скоростью и, следовательно, показатель преломления n₀ для него есть величина постоянная. Для необыкновенного луча угол между на­правлением

колебаний светового вектора и оптической осью отличен от прямого и зависит от направления луча, поэтому необыкновенные лучи распространяются по различным направлениям с разными скоростями. Следовательно, показатель преломления n_e необыкновенного луча яв­ляется переменной величиной, зависящей от направления луча. Таким образом, обыкновенный луч подчиняется закону преломления (отсюда и название «обыкно­венный»), а для необыкновенного луча этот закон не выполняется. После выхода из кристалла эти два луча ничем друг от друга не отличаются, если не принимать во внима­ние поляризацию во взаимно перпендику­лярных плоскостях.

В основе работы поляризационных при­способлений лежит явление двой­ного лучепреломления. Призмы делятся на два класса: 1) призмы, дающие только плоскополяризованный луч (поляризационные при­змы); 2) призмы, дающие два поляризован­ных во взаимно перпендикулярных плоско­стях луча (двоякопреломляющие при­змы).

Поляризационные призмы построены по принципу полного отражения одного из лучей от границы раздела, в то время как другой луч с другим показате­лем преломления проходит через эту гра­ницу. Типичным представителем поляри­зационных призм

является призма Николя [4], называемая часто николем.

Призма Николя (рис.4-8) представляет собой двойную призму из исландского шпата, склеенную канадским бальзамом с n =1,55. Оптическая ось призмы составляет с входной гранью угол 48°.

Показатель преломления исландского шпата для обык­новенного луча n₀ =1,66, а для необыкновенного n_e =1,51. Для обыкновенного луча канадский бальзам является сре­дой оптически менее плотной, а для необыкновенного луча — более плотной, чем исландский шпат. Если естественный луч падает на торцовую грань призмы Николя параллельно основанию призмы АВ, то необыкновенный луч проходит через призму, почти не отклоняясь от первоначаль­ного направления, а обыкновенный луч, претерпев полное отражение от слоя канадского бальзама, поглощается зачерненной поверхностью основания АВ. Таким образом, сквозь призму Николя проходит толь­ко один поляризованный луч (необыкновенный) с электрическими ко­лебаниями в главной плоскости призмы.

4.4. Искусственная оптическая анизотропия

Двойное лучепреломление имеет место в естественных анизотропных средах. Существуют различ­ные способы получения искусственной оп­тической анизотропии, т.е. сообщения оп­тической анизотропии естественно изо­тропным веществам.

Оптически изотропные вещества ста­новятся оптически анизотропными под действием: 1) одностороннего сжатия или растяжения (кристаллы кубической систе­мы, стекла и др.); 2) электрического поля — эффект Керра[5] (жидкости, аморфные те­ла, газы); 3) магнитного поля — эффект Коттона-Мутона (жидкости, стекла, коллоиды).

Мерой возникающей оптической ани­зотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкно­венного лучей в направлении, перпендику­лярном оптической оси:

— (в случае механических деформа­циях тел);

— (в случае электрического поля);

— (в случае магнитного поля),

где k₁, k₂, k₃ — постоянные, зависящие от температуры, длины волны света и природы вещества; Е и Н — соответственно напряженность электрического и магнит­ного полей; s — нормальное напряже­ние (сила, приходящаяся на единицу площа­ди).

Еще в начале прошлого столетия Т. Зеебек и Д. Брюстер обнаружили, что оптически изотропное твердое тело под влиянием механической деформации становится оптически анизотропным. Это свойство легло в основу ме­тода исследования напряжений на моделях.

Обычное стек­ло аморфно и изотропно. Если подвергнуть стекло одностороннему напряжению (рис. 4-9), то в направлении действия сил F стекло С сожмется, а в перпендикулярном — расширится. Разность показателей преломления (n₀ — n_e) обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси, пропорциональна нормальному напряжению s. Благодаря такой анизотропии деформации стекло станет опти­чески анизотропным и в деформированных участках получает свойства двоякопреломляющего кристалла и будет изменять поляризацию проходящего через него света, например превращая линейно поляризованный луч в поляризованный по кругу или по эллипсу.

Если стекло не деформированно, то при скрещенных поляризаторе П и анализаторе А на экране Э будет полная темнота. При деформации стекла лучи, идущие от поляризатора, проходя деформированные участки, изменят свою поляризацию и не будут полностью гаситься анализатором. На экране Э появятся в соответствующих местах цветные полосы, интенсивность и окраска которых характеризуют степень деформи­рованности отдельных участков. Каждая полоса соответствует одинаково деформи­рованным местам пластинки. Следовательно, по харак­теру расположения полос можно судить о распределении напряжений внутри пластинки.

Таким образом, искусственная анизотропия под дей­ствием механических воздействий позволя­ет исследовать напряжения, возникающие в прозрачных телах, например, остаточных деформаций в стекле при закалке. Так как применяе­мые обычно в технике материалы (метал­лы) непрозрачны, то исследование на­пряжений производят на прозрачных моделях. Модель подвергается дей­ствию нагрузок, пропорциональными тем, какие будет испыты­вать изделие в реальных условиях. Возникающие в модели деформации делают соответствующие участки анизотроп­ными. Просвечивая модель поляризованным светом, например по схеме, изображенной на рис. 4-9, можно определить деформа­ции и напряжения в модели, а затем делают соответствующий пересчет на проектируемую реальную конструкцию.

Оптическую анизотропию диэлектрика можно создать, воз­действуя на него не только механически, но и наложением электрических и магнитных полей. Магнитное поле дает весьма слабый эффект; поэтому подробнее остановимся на дей­ствии электрического поля, на так называемом эффекте Керра.

В 1875 г. Дж. Керр обнаружил, что жидкий или твердый изотроп­ный диэлектрик, помещенный в сильное однородное элект­рическое поле, становится оптически анизотропным. В 1930г. эффект Керра был обнаружен также и в газах. Поляризуемость (ориентационная способность молекулярных диполей) в направлении параллельном оптической оси кристалла становится несколь­ко отличной от поляризуемости в перпендикулярном направлении. В оптическом отношении такой диэлектрик ведет себя как одноосный кристалл (дает двойное лучепреломление) незави­симо от того, является он твердым, жидким или газообразным. По­явление двойного лучепреломления объясняется ориентацией моле­кул в электрическом поле и созданием структуры, подобную кристаллической: молекулы поворачиваются по полю так же, как стрелка компаса в магнитном поле Земли. Чем большей анизотро­пией обладают молекулы, тем сильнее эффект.

Схема наблюдения эффекта Керра изображена на рис. 4-10. Между скрещенными николями П и А помещают ячейку Керра С - сосуд с любой непроводящей жидкостью. К металлическим пластинам (обкладки плоского конденсатора), погружен­ными в жидкость, прикладывается большая разность потенциалов под действием которой жидкость становится двупреломляющей.

Это явление практиче­ски безынерционно, т. е. переход вещества из изотропного состояния в анизотропное при включении поля (и обратно) примерно 10^-9 с. Поэтому ячейка Керра – это идеальный световой затвор и применяется в быстропротекающих процессах (звукозапись, воспроиз­водство звука, скоростная фото- и кино­съемка, измерение скорости распростране­ния света в лабораторных условиях и т.д.), в оптической локации, в оптической телефонии. На применении ячей­ки Керра была основана первая советская система звукового кино П. Г. Тагера («тагефон»). Напряжение на ячейке Керра модулиро­валось со звуковой частотой.

4.5. Вращение плоскости поляризации

Некоторые вещества (вин­ная кислота, водный раствор сахара, сахар, скипидар, кварц, киноварь) обладают способностью вращать плоскость поляризации и их называют опти­чески активными.

Вращение плоскости поляризации можно наблюдать на следующем опыте (рис.4-9). Если между скрещенными по­ляризатором Р и анализатором А, дающи­ми темное поле зрения, поместить оптиче­ски активное вещество (например, кювету с раствором сахара), то поле зрения ана­лизатора просветляется. Чтобы вновь получить темное поле зрения надо повернуть анализатор на некоторый угол j (угол, на который оптически актив­ное вещество поворачивает плоскость по­ляризации света, прошедшего через поля­ризатор. Так как поворотом анализатора можно получить темное поле зрения, то свет, прошедший через оптически актив­ное вещество, является плоскополяризованным.

Опыт показывает, что для оптически ак­тивных кристаллов и чистых жидкостей угол поворота плоскости поляризации

, (4.4)

для оптически активных растворов

, (4.5)

где l — расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе,

a ([a]) — удельное вращение, чис­ленно равное углу поворота плоскости по­ляризации света оптически активным веществом единичной толщины (единич­ной концентрации — для растворов), С — массовая концентрация оптически актив­ного вещества в растворе, кг/м³. Удельное вращение зависит от природы вещества, температуры и длины волны света в ва­кууме.

Прибор, служащий для определения концентрации растворов опти­чески активных веществ, называется поляриметром. Поляриметр, предназначенный для измерения концентрации водных растворов сахара называется сахариметром.

Оптически активные вещества, поворачивающие плоскость колебаний (плоскость колебаний век­тора напряженности электрическо­го поля ) по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу), называются правовращающими, а поворачивающие эту плоскость против часовой стрелки — левовращающими.

Вращение плос­кости поляризации объяснено О. Френелем (1817 г.). Явление вращения плоскости поляри­зации и, в частности, формула (4-5) лежат в основе метода определе­ния концентрации растворов оптически ак­тивных веществ, называемого поляриметрией (сахариметрией). М. Фарадеем обнаруже­но вращение плоскости поляризации в оп­тически неактивных телах, возникающее под действием магнитного поля. Это явле­ние получило название эффекта Фарадея (или магнитного вращения плоскости по­ляризации). Оно имело огромное значе­ние для науки, так как было первым явлением, в котором обнаружилась связь между оптическими и электромагнитными процессами.

Дата добавления: 2014-01-04