Поляризации света. Методы поляризации.

1.Поляризация при отражении и преломлении.

Поляризованный свет можно получить, используя отражение или преломление света от диэлектрических изотропных сред (например, от стекла). Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков отличен от нуля, отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рис.4 эти колебания обозначены точками), в преломленном луче - колебания, параллельные плоскости падения (на рис. 4 они изображены двусторонними стрелками).

Рисунок 4. Частичная поляризация при отражении и преломлении.

Степень поляризации того и другого луча зависит от угла падения луча. У каждой пары прозрачных сред существует такой угол падения, при котором отраженный свет становится полностью плоскополяризованным, а преломленный луч остается частично поляризованным, но степень его поляризации при этом угле максимальна (рис. 5). Этот угол называется углом Бpюстеpа.

Рисунок 5. Плоскополяризованный отраженный луч при угле падения равном углу Брюстера.

Угол Брюстера определяется из условия

,

где n = n₁/n₂ – показатель преломления второй среды относительно первой.

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 (п= 1,53) 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. Такая совокупность пластинок называется стопой. Стопа может служить для анализа поляризованного света как при его отражении, так и при его преломлении.

2.Поляризация при двойном лучепреломлении.

При преломлении светового луча на границе раздела с некоторыми анизотропными средами наблюдается явление двойного лучепреломления - преломленный луч раздваивается. При этом оба луча оказываются полностью поляризованы.

Для многих кристаллов характерна анизотропия, т.е. различие физических свойств, в том числе и оптических, по определенным направлениям в кристалле. Это связано с асимметрией их решеток.

Двойное лучепреломление – раздвоение светового луча при прохождении через некоторые анизотропные среды, обусловленное зависимостью показателя преломления света от его поляризации и направления распространения.

Рисунок 6. Схема двулучепреломления (а) и проявление этого феномена (б).

Явление двойного лучепреломления заключается в том, что узкий световой пучок (АБ на рис. 6,а), падающий на поверхность кристалла, разделяется на два пучка (БД и БЕ на рис. 6,а), проходящие сквозь кристалл по несколько различным направлениям и по интенсивности каждый равный половине интенсивности падающего пучка. Если сквозь такой кристалл смотреть на предмет, то его контуры будут наблюдаться сдвоенными (рис. 6, б).

Рисунок 7. Распространение вторичных волн от каждой точки анизотропного объекта через который проходит луч света приводящее к двулучепреломлению.

С точки зрения принципа Гюйгенса двойное лучепреломление объясняется тем, что в анизотропном кристалле при падении световой волны в каждой точке его поверхности возбуждаются одновременно две элементарные волны (рис. 7): одна, как обычно, - сферическая, а вторая - эллипсоидальная. В связи с этим в кристалле образуются две результирующие волны, называемые обыкновенной о и необыкновенной е, имеющие различные фазовые скорости и направления распространения в кристалле (на рис. 4: АВ - фронт падающей плоской волны, MN - оптическая ось, относительно которой ориентирована эллипсоидальная элементарная волна, DC - фронт - обыкновенной и FC-необыкновенной волны в кристалле). Обыкновенный луч подчиняется законам преломления, для необыкновенного луча эти законы не выполняются.

Обе волны полностью поляризованы, причем колебания светового вектора необыкновенной волны происходят в главной плоскости кристалла, а обыкновенной - в плоскости, ей перпендикулярной. Одна из этих волн (чаще необыкновенная) и используется в поляризационных приборах в качестве источника поляризованного света (вторая волна при этом тем или иным способом гасится.

Направления, вдоль которых двойного лучепреломления нет и оба луча, обыкновенный и необыкновенный, распространяются с одной скоростью, называют оптическими осями кристалла. Плоскость, проведенная через падающий луч и оптическую ось, проведенную в точке падения, называется главной плоскостью кристалла.

Поскольку при двойном лучепреломлении задача получения полностью поляризованного света решается автоматически, остается лишь из двух лучей выделить один. Для этого можно использовать призму Николя.

Призма Николя.

В прецизионных приборах для этой цели используется так называемая призма Николя, изготовляемая из кристалла кальцита («исландский шпат»).

Призма Николя представляет собой две одинаковые треугольные призмы из исландского шпата, склеенные тонким слоем канадского бальзама. Призмы вытачиваются так, чтобы торец был скошен под углом 68° относительно направления проходящего света, а склеиваемые стороны составляли прямой угол с торцами. При этом оптическая ось кристалла находится под углом 64° с направлением света.

Рисунок 8. Устройство призмы Николя.

Свет с произвольной поляризацией, проходя через торец призмы испытывает двойное лучепреломление, расщепляясь на два луча - обыкновенный, имеющий горизонтальную плоскость поляризации и необыкновенный, с вертикальной плоскостью поляризации. После чего обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение от плоскости склеивания и выходит через боковую поверхность. Необыкновенный беспрепятственно выходит через противоположный торец призмы.

На ином принципе основаны поляризаторы, изготовляемые из турмалина, герапатита. Эти двоякопреломляющие кристаллы обладают свойством дихроизма, т.е. различного поглощения света в зависимости от направления плоскости его колебаний. В этих кристаллах обыкновенные лучи почти полностью поглощаются и свет, прошедший через кристалл, является полностью поляризованным.

На этом явлении основано устройство поляризационных фильтров, или поляроидов. Последние представляют собой прозрачную пленку, которая содержит кристаллы поляризующего свет дихроичного вещества, например герапатита (сернокислый йодхинин). В процессе изготовления пленки кристаллы ориентируются так, чтобы их оптические оси были параллельны. В результате они дают поляризованный свет с колебаниями в одной определенной плоскости.