Поляризационные приспособления: Призма Николя, дихроичные пластинки, поляроиды.

Для изготовления поляризаторов и анализаторов на практике применяют

двоякопреломляющие кристаллы. Из монокристаллов исландского шпата

изготовляют так называемые призмы Николя (или просто — н ик о л и).

Николь представляет собой двойную призму, склеенную в промежутке канадским бальзамом. Призмы выкалываются из кристалла под такими углами, чтобы необыкновенный луч, падающий на переднюю грань, проходил насквозь, практически не преломляясь (рис. 12.9). Обыкновенный луч при этом преломляется и падает на прослойку канадского бальзама.

Рис.12.9

Канадский бальзам — вещество, прозрачное для видимого света, с показателем преломления . Показатель преломления канадского бальзама имеет промежуточное значение между показателями преломления обыкновенного (n_o=1,658) и необыкновенного лучей (n_e=1,486) лучей, идущих в призме по направлениям, указанных на рисунке. При выбранной геометрии призмы Николя и подходящем угле падения обыкновенный луч испытывает в слое бальзама полное внутреннее отражение, а необыкновенный луч проходит через призму. Призма Николя служит превосходным поляризатором (вышедший луч полностью поляризован), но большие высококачественные кристаллы исландского шпата являются редкостью и изготовление такого прибора достаточно большого сечения очень дорого. Кроме того, канадский бальзам поглощает ультрафиолетовое излучение, и в качестве поляризаторов в ультрафиолете обычно используют призмы Волластона, также изготовленные из исландского шпата, но без склейки канадским бальзамом. Направления оптических осей в двух кусках шпата, из которых состоит, взаимно перпендикулярны.

2. Дихроичные пластинки, анизотропное поглощение.

При прохождении некоторых двояко преломляющих кристаллов ( простейший кристалл- турмалин) один из лучей (чаще обыкновенный) поглощается кристаллом сильней, чем другой. Поэтому проходя такой кристалл, оба луча поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях, выходят из кристалла с существенно различной интенсивностью, и поэтому прошедший через кристалл свет оказывается частично поляризованным ( при толщине кристалла турмалина равной 1мм обыкновенный луч поглощается практически полностью. Это явление носит название дихроизма или анизотропного поглощения. Механизм анизотропного поглощения можно объяснить следующим образом. Анизотропия структуры турмалина приводит к тому, что электроны имеют возможность двигаться преимущественно в одном направлении относительно кристалла. Если поляризация падающей световой волны совпадает с этим направлением, то электрическое поле световой волны вызывает сильную раскачку электронов, передавая им свою энергию, а электроны в свою очередь передают энергию кристаллической решетке. В результате световая волна поглощается. Если же поляризация падающей волны перпендикулярна направлению возможного движения электронов в кристалле, то колебания электронов практически не возбуждаются либо электроны колеблются с небольшой амплитудой, отдавая свою энергию вторичному излучению, а не решетке кристалла. В этом случае световая волна испытывает лишь незначительное поглощение. Из сказанного ясно, почему при облучении кристалла турмалина, на выходе из него образуется линейно поляризованный свет: турмалин пропускает свет лишь той поляризации, которая перпендикулярна направлению возможного движения электронов в кристалле.

3. Поляроиды.Пленочные дихроичные поляроиды изобретены в 20х годах 20столетия. Очень дешевые устройства дали широкую дорогу к практическому применению поляризации. Поляроиды представляют собой искусственно приготовленные коллоидные пленки. Наиболее распространенным материалом для приготовления поляроидов является герапатит, представляющей собой соединения йода с хинином. Этот материал вводят в целлулоидную или желатиновую пленку. В ней ультрамикроскопические кристаллики герапатита каким либо способом (обычно механически, например, протаскиванием вязкой массы через узкую щель) ориентируются своими оптическими осями в одном и том же направлении. Полученная масса, подобно турмалину, действует как один кристалл и поглощает световые колебания, электрический вектор которых перпендикулярен оптической оси. Часто применяют полимер, называемый поливиниловым спиртом. Подбор активаторов определяется дихроизмом молекул и его спектральной областью, а также способностью молекул к ориентации. Хорошей пропускаемостью и высоким поляризующим действием в области 500-700нм обладают поляроиды, изготовленные из растянутой пленки поливинилового спирта, прокрашенной йодом. В пленке образуются длинные цепочки полимерных дихроичных молекул комплексного соединения поливиниловый спирт-йод.

Закон Малюса.

Итак, мы рассмотрели различные способы получения линейно поляризованного света, те приборы, устройства с помощью которых такой свет получается, называются поляризаторами. Если на поляризатор падал естественный свет, то векторы напряженности электрического поля перпендикулярные плоскости главного сечения кристалла и параллельные одинаковы, так как , то при прохождении света через поляризатор интенсивность такого света уменьшится в два раза.

В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). Пластинки могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ (рис.12.10). Пластинка турмалина может быть использована как для получения поляризованного света, так и для анализа характера поляризации света (поляризатор и анализатор).

Рис.12.10

Колебание вектора напряженности электрического поля, амплитуда которого А, совершающееся в плоскости, образующей с плоскостью поляризатора угол j можно разложить на два колебания с амплитудами Лц =Л cos <p и А±=А sin cp (рис. 12.10; луч перпендикулярен к плоскости рисунка). Первое колебание пройдет через прибор, второе будет задержано. Интенсивность прошедшей волны пропорциональна Al=A2 cos2 cp, т. е. равна / cos2 ф, где / —интенсивность колебания с амплитудой А. Следовательно, колебание, параллельное плоскости поляризатора, несет

с собой долю интенсивности, равную cos2 ср. В естественном свете

все значения <р равновероятны. Поэтому доля света, прошедшего

через поляризатор, будет равна среднему значению cos2 ф, т. е. V2.

При вращении поляризатора вокруг направления естественного

луча интенсивность прошедшего света остается одной и той же,

изменяется лишь ориентация плоскости колебаний света, выходя-

щего из прибора.

Пизе/теля

Пусть на поляризатор падает плоскополяризованный свет ам-

плитуды Аа и интенсивности /0 (рис. 134.4). Сквозь прибор пройдет

составляющая колебания с амплитудой А—Аа cos <p, где ф — угол

между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поля-

ризатора. Следовательно, интенсивность прошедшего света / опре-

деляется выражением

/=/, cos2 ф. A34.4)

Соотношение A34.4) носит название закона Малюса.

Поставим на пути естественного луча два поляризатора, плоско-

сти которых образуют угол ф. Из первого поляризатора выйдет

плоскополяризованный свет, интенсивность ко-

торого /о составит половину интенсивности ес-

тественного света /ест. Согласно закону Малюса

из второго поляризатора выйдет свет интенсивно-

сти /0 соз2ф. Таким образом, интенсивность света,

прошедшего через два поляризатора, равна

Г

A34.5)

Максимальная интенсивность, равная V2 /еСт.

получается при ф=0 (поляризаторы параллель-

ны). При ф=л/2 интенсивность равна нулю — Рис. 134.5.

скрещенные поляризаторы света не пропускают. (Савельев)

Заключение

Поляризуются только поперечные волны. Электромагнитные волны поперечны. Необходимо подчеркнуть, что поляризованный свет – это вторичные волны, образованные взаимодействием света с веществом.

Существуют различные способы получения линейно поляризованного света. При отражении от диэлектриков отраженный свет полностью поляризован, только при условии, если угол между отраженным и преломленным лучами составляет 90°. При преломлении, поляризация луча происходит за счет постепенного вывода колебаний перпендикулярных плоскости падения, так как эти колебания возникают в луче отраженном.

Обыкновенный и необыкновенный лучи имеют разные волновые поверхности: сферическую и эллиптическую, это связано с анизотропией вещества. Так как волновая поверхность необыкновенного луча- эллиптическая , то ход этого луча не может подчиняться законам преломления света. Обыкновенный и необыкновенный лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

К поляризационным устройствам, основанным на явлении двойного лучепреломления, относятся: призма Николя и др., материалы, обладающие анизотропным поглощением.