Естественный и поляризованный свет

Явления интерференции и дифракции показывают, что свет есть электромагнитная волна. Однако эти явления не дают сведений, поперечная или продольная световая волна. Доказательством поперечности световых волн является явление поляризации света.

Световая волна состоит из множества цугов, испускаемых большим числом атомов. каждый цуг имеет случайную ориентацию векторов и , в итоге в результирующей волне все направления равновероятны. Свет со всевозможными равновероятными направлениями векторов и называется естественным (рис.1, скорость распространения направлена перпендикулярно чертежу).

Рис.1.

Свет, в котором одно из направлений колебаний светового вектора становится преимущественным, называется частично поляризованным (рис.2).

Рис.2.

Если колебания светового вектора происходят в одной плоскости, то свет – плоско-поляризован (рис.3).

Рис. 3.

Если конец вектора описывает эллипс, то свет эллиптически поляризован, если окружность, то поляризован по кругу.

Поляризация света при отражении. Закон Брюстера.

Одним из способов поляризации света является поляризация при отражении от границы раздела двух диэлектриков (рис.4).

Рис.4.

Опыт показывает, что если на границу двух диэлектриков падает естественный свет, отраженный и преломленный лучи будут частично поляризованы. Причем в отраженном луче будут преобладать колебания перпендикулярные плоскости падения, а в преломленном – параллельно плоскости падения.

При определенном угле падения, отраженный луч будет полностью поляризован, а преломленный – частично (рис.5).

Рис.5.

Этот угол называется углом Брюстера или углом полной поляризации. При этом , где - относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Колебания светового вектора в отраженном луче будут происходить в этом случае только в направлении перпендикулярном плоскости падения .

, отсюда или .

В результате получаем

,

то есть угол между отраженном и преломленном лучами при полной поляризации отраженного луча равен .

Явление двойного лучепреломления и его особенности. Дихроизм.

При прохождении света через все прозрачные кристаллы, кроме кристаллов кубических, наблюдается явление двойного лучепреломления. Это явление наблюдали уже в конце 18 века на кристаллах исландского шпата ( ) .Исландский шпат – это разновидность углекислого кальция с гексагональной решеткой. В таком кристалле изображение предмета двоится.

Если на толстый кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных пучка света параллельных друг другу и падающему пучку (рис.6).

Рис.6.

Даже при нормальном падении света на кристалл получится два луча (рис.7.).

Рис.7. 1 – обыкновенный луч (о), 2 – необыкновенный луч (е)

Луч «о» подчиняется обычному закону преломления света . Для луча «е» это отношение зависит от угла падения. Лучи «о» и «е» поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Разница между лучами имеется только внутри кристалла, вне его – нет.

Кристаллы, в которых наблюдается явление двойного лучепреломления, могут быть одноосными и двуосными. В одноосных (полевой шпат, кварц) имеется одно направление, вдоль которого лучи «о» и «е» имеют одинаковую скорость и поэтому идут вместе, не разделяясь. Это направление называется оптической осью кристалла. Оптических осей много. Все линии параллельные данному направлению есть оптические оси. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла. Обычно главной плоскостью называется сечение, проходящее через падающий луч и оптическую ось. Колебания светового вектора в луче «е» параллельно главной плоскости кристалла, в луче «о» перпендикулярно главной плоскости.

В двуосных кристаллах (слюда) таких направлений, где лучи «о» и «е» не разделяются два (слюда).

Разные кристаллы по разному поглощают лучи «о» и «е». Это явление называется дихроизмом. Кристаллы турмалина при толщине 1мм полностью поглощают обыкновенный луч и поэтому могут быть использованы для получения плоскополяризованного света. В кристаллах исландского шпата интенсивности этих лучей примерно одинаковы.

Для получения плоскополяризованного света используются приборы, которые получили название поляризаторов. В основе их лежит одно из трех явлений:

1. отражение света на границе двух прозрачных сред
2. дихроизм
3. двойное лучепреломление

В качестве поляризатора можно использовать пластинку из турмалина. Вследствие дихроизма она пропускает только лучи «е». Большое распространение в качестве поляризатора получила призма Николя. Она состоит из кристалла исландского шпата. Его разделяют по малой диагонали и склеивают канадским бальзамом (пихтовая смола). Показатель преломления канадского бальзама меньше, чем у исландского шпата, благодаря чему луч «о» испытывает полное внутреннее отражение и гасится зачерненной гранью. Выходит только плоскополяризованный луч «е» (рис.8).

Рис.8.

Оптическая ось с входной гранью образует угол . Канадский бальзам имеет показатель преломления , , .

Любой поляризационный прибор ослабляет интенсивность естественного света в два раза (рис.9).

Рис.9.

Луч идет в главной плоскости. Угол , угол между и , - угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризатора. В кристалле луч разлагается на два луча. В луче, где колебания светового вектора параллельны оптической оси – проходит, а луч, где колебания светового вектора перпендикулярны оптической оси – не проходит. Пусть - амплитуда колебаний светового вектора . Как видно из рисунка . Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды ( ). То есть . Поскольку в естественном свете все равновероятны, интенсивность проходящего света пропорциональна среднему значению квадрата косинуса, которое равно . Таким образом, где - естественный свет падающий, но поляризованный, поляризованный свет, вышедший из поляризатора. Обозначим интенсивность проходящего поляризованного света через , тогда получим:

.

Интенсивность поляризованного света в два раза меньше интенсивности естественного.

Если после поляризатора поместить такой же поляризатор, то на него будет падать луч с определенным направлением колебаний светового вектора (под определенным углом с главной плоскостью) (рис.10).

Рис.10.

Сквозь второй поляризатор пройдет составляющая колебаний с амплитудой . Следовательно, интенсивность прошедшего света определяется выражением:

.

Это выражение называется законом Малюса.

Поставим на пути естественного света два поляризатора, плоскости которых составляют угол . Из первого поляризатора выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого . Согласно закону Малюса из второго поляризатора выйдет свет интенсивности . Интенсивность света, прошедшего второй поляризатор равна:

.

Максимальная интенсивность, равная получается при (поляризаторы параллельны). При интенсивность равна нулю (скрещенные поляризаторы света не пропускают).

Природа двойного лучепреломления.

Явление лучепреломления связано с анизотропией кристаллов. В кристаллах некубической симметрии диэлектрическая проницаемость в различных направлениях разная. В одноосных кристаллах она принимает значения от (вдоль оси) до (перпендикулярно главной оптической оси). При промежуточных направлениях принимает промежуточные значения между и .

Показатель преломления ( ), а от него зависит скорость электромагнитной волны ( ). В итоге электромагнитные волны с разными направлениями колебаний вектора имеют разные скорости распространения.

Для обыкновенного луча колебания светового вектора перпендикулярны главной плоскости. Независимо от направления распространения волны направление колебаний перпендикулярно оптической оси: , . Скорость одинакова для всех направлений. Во всех направлениях за одно время луч пройдет одинаковые пути. Изображая скорость в виде отрезков, отложенных по разным направлениям, получим сферу в пространстве.

Для луча «е» колебания светового вектора проходят в плоскости главного сечения. При изменении направления распространения луча меняется и угол между световым вектором и оптической осью, а поэтому меняются , и .

Рассмотрим три направления распространения 1,2,3.

При направлении 1, когда , при 2, когда , а при других направлениях заключается в интервале между и .

В направлении 1, вдоль оптической оси . Для луча 2 угол и скорость . Для луча 3 скорость имеет промежуточное значение. Можно показать, что волновая поверхность необыкновенных лучей эллипсоид. В местах пересечения с оптической осью кристалла этот эллипсоид и сфера, построенная для обыкновенных лучей, соприкасаются.

В зависимости от того, какая из скоростей или больше, различают положительные и отрицательные одноосные кристаллы.

Примерами положительных кристаллов являются : киноварь, , кварц. Для них . Примерами отрицательных кристаллов являются турмалин и бензол. Для них .

Применение поляризованного света.

Поляроиды защищают от ослепительных солнечных лучей и от фар встречного транспорта. Различные кристаллы создают различное двойное лучепреломление, поэтому по вышедшему свету судят о природе минерала. В морской авиации стекла со скрещенными поляроидами используются для гашения бликов от воды.