Двойное лучепреломление

Глаз человека не способен различать направление колебаний световых векторов в световой волне. Поэтому невооруженным глазом не отличает поляризованный свет от естественного света. Исследование явления поляризации света началось с открытия явления двойного лучепреломления света в кристаллах.

Естественный и поляризованный свет.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Изобразите зонную пластинку при условии, что площади зон Френеля примерно одинаковы.

2. Изобразите линзу Френеля при условии, что площади зон Френеля примерно одинаковы. Почему линзу не используют в телескопах, а в маяках?

3. Как изменяется яркость и размер центрального пятна по мере приближения с большого расстояния к отверстию в диафрагме?

Свет – это электромагнитные волны, излученные атомами вещества. Эти волны ограничены в пространстве. Их называют фотонами. Пучок света состоит из огромного числа фотонов. Вследствие того, что атомы излучают фотоны независимо друг от друга, направления колебаний световых векторов в сечении пучка света расположены хаотично. Такой свет называется естественным. Если каким либо образом упорядочить направления колебаний световых векторов, например, параллельно друг другу, то такой свет назовем плоскополяризованным (рис. 3.1). В эллиптически поляризованном свете световые векторы фотонов синхронно поворачиваются.

1. Поляризация света при отражении от диэлектриков

Пусть пучок естественного света падает под некоторым углом на гладкую поверхность диэлектрика, на которой он частично отражается и частично преломляется. Разложим световые векторы фотонов в падающем пучке на два направления, параллельно и перпендикулярно плоскости падения.

Отраженный свет состоит из волн, излученных электронами диэлектрика, которые совершают вынужденные колебания под действием электрического поля преломленной волны. Известно, что в направлении колебаний электрон не излучает волн. Рассмотрим отражение компоненты луча света, в которой световые векторы совершают колебания параллельно плоскости падения. Если угол между преломленным лучом света и отраженным будет точно равен 90^о, то направление колебаний электронов диэлектрика окажется параллельным направлению отраженного луча. Но в этом направлении электроны не излучают, и, значит, отраженного луча не будет (рис. 3.2а).

Но зато отразится вторая компонента луча света, в которой световые векторы совершает колебания перпендикулярно плоскости падения (рис. 3.2б). Этот свет будет плоскополяризованным. При падении естественного света под другими углами в отраженном свете будут обе компоненты, и свет будет поляризован частично.

При максимальной поляризации угол преломления g = 90^о –b, а sin (90^о– β) = cos β. По закону преломления света . Откуда получим:

tg b = n . 3.1

Это уравнение закона Брюстера: тангенс угла максимальной поляризации света при отражении от диэлектриков равен относительному показателю преломления.

.

В анизотропных кристаллах, в отличие от изотропных веществ, физические свойства зависят от направления, например диэлектрическая проницаемость и связанная с ней скорость света: . Пусть, например, в простейшем одноосном кристалле диэлектрическая проницаемость принимает наименьшее значение, если ось кристалла перпендикулярна вектору напряженности электрического поля. Тогда скорость распространения света будет наибольшей, если световой вектор электромагнитной волны перпендикулярен оптической оси кристалла.

Пусть на поверхность кристалла падает нормально естественный свет. Представим его в виде двух пучков. Пусть в первом пучке колебания совершаются в плоскости, в которой лежит оптическая ось кристалла О–О, а в другом – перпендикулярно (рис.3.3). По принципу Гюйгенса каждая точка поверхности кристалла является источником вторичных волн. В первом случае волны, распространяющиеся вдоль оси О–О будут иметь наибольшую скорость, а в других направлениях – меньше. Огибающие вторичных волн оказывается эллипсоидом, а фронт преломленной волны, в нарушение закона преломления света, отклоняется от нормали. Этот луч света называется необыкновенным.

Во втором случае световые векторы всех вторичных волн перпендикулярны оптической оси, скорость света во всех направлениях одинакова и наибольшая, и фронты вторичных волн являются полусферами. Этот луч света распространяется в кристалле по законам преломления света, и его называют обыкновенным. Таким образом, на выходе из кристалла получается два пучка

В некоторых кристаллах необыкновенный луч гасится на пути в доли миллиметра (явление дихроизма). Эти кристаллы наносят на прозрачную пленку и защищают стеклами. Такой поляризатор называется поляроидом. Плоскость, в которой колеблется световой вектор прошедшего света, является плоскостью пропускания, П–П. На рис.3.3 плоскость пропускания перпендикулярна рисунку.

Если в падающем пучке света световые векторы совершают колебания перпендикулярно плоскости пропускания, то такой пучок света не проходит через поляризатор. Если колебания светового вектора происходят параллельно плоскости пропускания, то в идеальном случае свет проходит без потери интенсивности.