Подвійне променезаломлення

Закон Малюса

Усі прозорі кристали (крім кристалів кубічної системи, які оптично ізотропні) є оптично анізотропні. Їх відносна діелектрична проникність і показник заломлення залежать від напрямку електричного вектора світлової хвилі.

В оптично анізотропних кристалах спостерігається явище подвійного променезаломлення, яке полягає в тому, що промінь світла, який падає на поверхню кристала, роздвоюється в ньому на два заломлені промені, що поширюються з різними швидкостями.

Кристали, що мають подвійне променезаломлення, діляться на одновісні і двовісні. В одновісних кристалів для одного із заломлених променів виконується закон заломлення, зокрема заломлений промінь лежить в одній площині з падаючим променем і нормаллю до заломлюючої поверхні. Цей промінь називається звичайним (о). Для другого променя, який називається незвичайним (е), відношення синусів кута падіння і кута заломлення не залишається постійним при зміні кута падіння. Незвичайний промінь не лежить в одній площині з падаючим променем і нормаллю до кристала поверхні.

На рис. 157 показано явище подвійного променезаломлення в одновісному кристалі, коли пучок світла падає на кристал нормально. Один з променів (о) є продовженням падаючого, а інший (е) при проникненні в кристал відхиляється на якийсь кут.

Одновісними кристалами є ісландський шпат, кварц, турмалін, а двовісними – слюда, гіпс. У двовісних кристалів обидва промені незвичайні.

В одновісних кристалах існує єдиний напрямок, вздовж якого подвійне променезаломлення не спостерігається.

Напрямок в кристалі, по якому поширюються звичайний і незвичайний промені не розділяючись і з однаковою швидкістю, називається оптичною віссю кристала. Оптична вісь – це не пряма лінія, що проходить через якусь точку кристала, а певний напрямок в кристалі. Довільна пряма, паралельна до цього напрямку, є оптичною віссю кристала.

Площина, яка проходить через промінь і оптичну вісь кристала, що перетинає промінь, називається головною площиною, або головним перерізом кристала, що відповідає цьому променю. Через кристал можна провести нескінченну множину паралельних оптичних осей і нескінченну множину паралельних головних перерізів. Лінія перетину двох довільних головних перерізів завжди є оптичною віссю. На рис. 157 оптична вісь : промінь, що падає на кристал і поширюється в цьому напрямку, не роздвоюється.

Дослідження звичайного і незвичайного променів показує, що обидва промені повністю поляризовані у взаємно перпендикулярних напрямках. Електричний вектор у звичайному промені перпендикулярний до площини головного перерізу (), а в незвичайному промені лежить у площині головного перерізу (рис. 157), тобто площина поляризації звичайного променя перпендикулярна до площини головного перерізу, а незвичайного збігається з площиною головного перерізу.

Після виходу з кристала, якщо не брати до уваги поляризацію у двох взаємно перпендикулярних напрямках (площинах), ці два промені нічим один від одного не відрізняються.

Подвійне променезаломлення пояснюється анізотропією кристалів. У кристалах некубічної системи діалектрична проникність виявляється залежною від напрямку дій електричного поля . В одновісних кристалах в напрямку оптичної осі і в напрямку, який перпендикулярний до неї, має різні значення і , які називаються повздовжньою і поперечною діелектричними проникностями кристала. В інших напрямках має проміжне значення. А оскільки і , то з анізотропії випливає, що світловим хвилям з різними напрямками коливання вектора відповідають різні значення показника заломлення і швидкості світлових хвиль.

Одновісні кристали характеризуються показником заломлення звичайного променя, який дорівнює , і показником заломлення незвичайного променя . Значення найбільше відрізняється від для напрямку, який перпендикулярний до оптичної осі.

Залежно від того, яка із швидкостей чи більша, розрізняють додатні і від’ємні одновісні кристали (рис. 158, 159).

Якщо і, відповідно, , то кристал називається оптично додатним і еліпсоїд вписаний у сферу (рис. 158). Для від’ємного кристала і . У такому разі еліпсоїд описаний навколо сфери (рис. 159).

Явище подвійного променезаломлення лежить в основі роботи поляризаційних пристроїв, які служать для отримання поляризованого світла. Найчастіше для цього застосовуються призми і поляроїди. Призми ділять на два класи:

1) призми, що дають лише плоскополяризований промінь (поляризаційні призми);

2) призми, що дають два поляризовані у взаємно перпендикулярних площинах промені (двозаломні призми).

Типовий представник поляризаційних призм – призма Ніколя (ніколь) – подвійна призма з ісландського шпату, які склеєні вздовж лінії АВ канадським бальзамом з n =1,55(рис. 160).

Оптична вісь спрямована під кутом до вхідної грані . Природний промінь при падінні на грань внаслідок подвійного заломлення поділяється на звичайний і незвичайний промінь . При певному виборі кутів призми звичайний промінь падає на шар бальзаму під кутом , який більший за граничний, зазнає повного внутрішнього відбивання, падає на зачорнену грань і нею поглинається. Незвичайний промінь виходить з призми паралельно до грані . Площина його поляризації збігається з площиною головного перерізу.

Прикладом двозаломної призми є призма Волластона, яка складається з двох прямокутних призм із ісландського шпату (рис. 161).

У призмі оптична вісь паралельна до катета , а в призмі – ребра , яке перпендикулярне до площини рисунка. Природне світло падає нормально на грань ; обидва промені, звичайний і незвичайний, що виникають в призмі , ідуть по одному напрямку, відповідно з швидкостями і . У другій призмі вони також поширюються в напрямку, який перпендикулярний до оптичної осі, але, оскільки оптичні осі в обох призмах взаємно перпендикулярні, то звичайний промінь у першій призмі перетворюється у незвичайний в другій і навпаки. Тому звичайний промінь в першій призмі заломиться на межі обох призм з відносним показником заломлення , а промінь незвичайний – з . Для ісландського шпату і тому , а . Перший промінь заломиться в бік ребра призми , а другий – в бік її основи . Цим досягається значне розходження променів. Обидва промені плоско поляризовані.