Поляризация при отражении от поверхности диэлектрика

Электромагнитная волна естественного света (рис. 19), падая на вещество — диэлектрик, вызывает колебания электронов в атомах и молекулах вещества. Атомы и молекулы становятся сами излучателями вторичных электромагнитных волн, которые распространяются в обеих средах и являются поляризованными. Отраженный

	и преломленный лучи поляризуются во взаимно перпендикулярных плоскостях: у преломленного света электрические колебания ( ) совершаются преимущественно в плоскости па-
Рис. 19

(51)

дения (на рисунке показаны стрелками), а у отраженного — перпендикулярно плоскости падения (на рисунке показаны точками). Степень поляризации зависит от угла падения. При некотором угле падения α_р (рис. 19) отраженный свет полностью поляризуется. Угол α_р называется углом полной поляризации или углом Брюстера и подчиняется закону Брюстера:

tg α = n (52)

где n — абсолютный показатель преломления отражающей среды (диэлектрика). При этом отраженный и преломленный лучи — взаимно перпендикулярны. Преломленный луч будет частично поляризован. Для того, чтобы преломленный луч был полностью, поляризован, его пропускают через несколько плоскопараллельных пластинок, например, стеклянных.

Поляризация при двойном лучепреломлении.Явление двойного лучепреломления наблюдается в анизотропных средах (анизотропной средой называется среда, физические свойства которой в разных направлениях различны). Анизотропными являются кристаллы кварца, исландского шпата, турмалина и т. д. (кроме кристаллов кубической системы). На рис. 20 показано прохождение света через кристалл исландского шпата (одна из разновидностей СаСОз). Из естественного луча АВ, проходящего сквозь кристалл, образуются два луча, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Электрические колебания одного из этих лучей перпендикулярны главной плоскости кристалла (MO₁NО₂); он называется обыкновенным лучом — обозначается буквой «о». Электрические колебания другого луча совершаются в главной плоскости кристалла; он называется необыкновенным лучом и обозначается буквой «е». Обыкновенные лучи распространяются по всем направлениям одинаковой скоростью с₀ = const, и, следовательно, показатель преломления n₀ для обыкновенного луча есть величина постоянная (n₀=c/c₀ = const,где с — скорость света в вакууме). Необыкновенные лучи распространяются по разным направлениям и с различными скоростями: с_е ≠ const Отсюда следует, что показатель преломления для необыкновенного луча n_е является переменной величиной, зависящей от направления луча: n_е = с/с_е ≠ const. Благодаря различию показателей преломления необыкновенный и обыкновенный лучи претерпевают в кристалле разделение — двойное лучепреломление. Но есть в кристалле такое направление (О₁О₂ и все параллельные прямые, рис. 20), вдоль которого обык-

новенный и необыкновенный лучи не разделяются, т. к. распространяются с одинаковой скоростью. Это направление в кристалле называют оптической осью.

Рис. 20	Рис. 21

Для отделения необыкновенного луча от обыкновенного применя ют поляризационную призму — призму Николя (николь). Кристалл исландского шпата распиливают на две части по линии АС, как показано на рис. 21. Отшлифованные поверхности распила склеивают канадским бальзамом — специальным клеем, показатель преломления которого меньше показателя преломления обыкновенного луча (n₀), но больше показателя преломления необыкновенного луча (n_е): n₀>n_к._б.>n_е.Поэтому обыкновенный луч, претерпевая полное отражение на слое клея, отводится в сторону и поглощается в оправе николя; необыкновенный луч при любых углах падения проходит через слой канадского бальзама. Таким образом, через призму Николя проходит только один поляризованный луч (необыкновенный) с электрическими колебаниями в главной плоскости призмы.

Рис. 22

Закон Малюса.Для анализа степени поляризации света применяют устройства, называемые анализаторами, в качестве которых используют те же призмы Николя. Если взять два николя (рис. 6, а): один николь — поляризатор Р; из него выходит плоскополяризованный свет (вектор колеблется по направлению РР); второй николь — анализатор А (колебания по AA), то по закону Малюса интенсивность света I, выходящего из анализатора, пропорциональна квадрату косинуса угла между направлением плоскостей колебаний (вектора ) поляризатора и анализатора:

I = I₀ cos² α, (53)

где I₀ – интенсивность света, вышедшего из поляризатора P;

- интенсивность естественного света.

(54)

Интенсивности I₀ = E²_P; I = E²_A, (55)

где E_P и E_A — амплитуды колебаний, прошедших поляризатор и анализатор. Из рисунка 6б видно, что

E_A = E_Pcosα (56)

Подставляя выражение (56) в (55), получим:

Если направления плоскостей колебаний поляризатора и анализатора перпендикулярны α = 90°, то говорят, что поляризатор и анализатор скрещены (установлены на гашение света — через скрещенные николи свет не проходит). Если направления плоскостей поляризатора РР и анализатора АА совпадают α = 0°, то интенсивность проходящего света будет максимальной. Для любого другого угла α интенсивность света вычисляется по формуле (53).

Вращение плоскости поляризации.Плоскость, перпендикулярную плоскости колебаний вектора называют плоскостью поляризации света. Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоскополяризованного света. К числу таких веществ принадлежат кристаллические тела (кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ и неактивных растворителей (водные растворы сахара, винной кислоты и др.)

В растворах угол поворота плоскости поляризации (<р) пропорционален пути света в растворе и концентрации активного вещества с:

φ = [α]сl, (57)

где [α] — величина, называемая удельной постоянной вращения (удельное вращение), которая зависит от длины волны света и температуры раствора; измеряется в

КВАНТОВАЯ ОПТИКА