Двойное лучепреломление кратко и понятно

Обновлено: 06.07.2024

Двойно́е лучепреломле́ние — эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие. Впервые обнаружен датским учёным Расмусом Бартолином на кристалле исландского шпата в 1669 году. Если луч света падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то на этой поверхности он расщепляется на два луча. Первый луч продолжает распространяться прямо, и называется обыкновенным (o — ordinary), второй же отклоняется в сторону, и называется необыкновенным (e — extraordinary).

Многим кристаллам присуще свойство анизотропии, то есть зависимость их свойств от направления, тогда как в изотропных веществах (большинстве газов, жидкостей, аморфных твёрдых телах) или псевдоизотропных (поликристаллы) телах свойства от направлений не зависят. Процесс неупругого деформирования кристаллов всегда осуществляется по вполне определённым системам скольжения, то есть лишь по некоторым кристаллографическим плоскостям и лишь в некотором кристаллографическом направлении. В силу неоднородного и неодинакового развития деформации в различных участках кристаллической среды между этими участками возникает интенсивное взаимодействие через эволюцию полей микронапряжений.

В то же время существуют кристаллы, в которых анизотропия отсутствует.

В физике мартенситной неупругости накоплен богатый экспериментальный материал, особенно по вопросам эффектов памяти формы и пластичности превращения. Экспериментально доказано важнейшее положение кристаллофизики о преимущественном развитии неупругих деформаций почти исключительно посредством мартенситных реакций. Но принципы построения физической теории мартенситной неупругости неясны. Аналогичная ситуация имеет место в случае деформации кристаллов механическим двойникованием.

Значительные успехи достигнуты в изучении дислокационной пластичности металлов. Здесь не только понятны основные структурно-физические механизмы реализации процессов неупругой деформации, но и созданы эффективные способы расчёта явлений.

Двойное лучепреломление (видимый свет)

Искусственная анизотропия -- эффект Keppa

Двойное лучепреломление (кристалл исландского шпата).

Анизотропное вещество между поляризаторами: пластинки слюды

Анизотропное вещество между поляризаторами: полимерная пленка

Анизотропное вещество между поляризаторами: болванка CD-диска

Анизотропное вещество между поляризаторами: слюдяная бабочка

Анизотропное вещество между поляризаторами: мятая целлофановая обёртка

Двойное лучепреломление – это явление раздвоения (иными словами – расщепления) светового луча на две составляющие при прохождении его через определенную анизотропную среду, в случае когда изначальный луч падает перпендикулярно к поверхности кристалла.

При внезапном падении световой волны на любую поверхность анизотропной среды автоматически возникают две новые преломленные волны, обладающие разной поляризацией и направляющиеся в разные стороны с различными скоростями. Отношение таких амплитуд непосредственно зависит от поляризации луча падающей волны.

На сегодняшний день различают такие виды исследуемого явления:

линейное;
эллиптическое;
симметрическое.

Двойное лучепреломление вызвано неоднозначной скоростью распространения световых лучей, движущихся в различных направлениях. В точке будущего падения естественного света формируется сразу две световых волны. Одна находится в кристалле во всех его сторонах - это обыкновенный луч или же фронт сферической волны. В другой – общая скорость по направлению оптического вектора кристалла одинакова в первой волне, а по перпендикулярному оптической оси направлению этот показатель значительно больше.

Явление двойного лучепреломления в кристаллах

Явление двойного лучепреломления в разнообразных кристаллах часто применяется при построении технических и научных оптических устройств. Именно с помощью этого универсального механизма в жидкостях внутри электрического поля успешно используется концепция преломления лучей для передачи качественных изображений на расстояние, для кинотеатров и так далее.

Двойное лучепреломление, возникающее в стекле при определенной закалке, является признаком для обнаружения опасных ситуаций и нежелательных натяжений в электрических лампочках и стеклянной посуде.

Для такой цели многочисленными оптическими фирмами выпущены мощные поляризационные приборы, которые позволяют в кратчайшие сроки производить качественную оценку натяжений по цвету будущей интерференционной картины, возникающей с помощью двойного лучепреломления.

Также это физическое явление помогает изучать на прозрачных и понятных моделях из стекла или целлулоида такие натяжения, которые формируются при различных деформациях в автомобилях, частях построек и других сооружений. Цветные и яркие картины, получаемые от таких деформируемых последствий, посредством очень простых специальных приборов дают шанс экспертам быстро освободиться от сложных, иногда просто невыполнимых расчетов.

Готовые работы на аналогичную тему

Одноосные кристаллы в двойном лучепреломлении

У одноосных кристаллов в двойном преломлении один из преломленных пучков всегда подчиняется обычной теории преломления. Его называют в физике обыкновенным. Другой пучок носит название необыкновенный, так как он не подчиняется закону преломления и действует по собственным принципам.

Даже при нормальном и очевидном падении светового пучка на поверхность любого кристалла необыкновенный луч может иногда отклоняться от нормали. Обычно, такой процесс не находится в плоскости падения.

Если через этот элемент посмотреть на окружающие объекты, то каждый из них будет автоматически раздваиваться. При вращении и падении кристалла вокруг направления падающего вектора обыкновенный луч находится в состоянии покоя, а необыкновенный начинает двигаться вокруг него по всей окружности.

К одноосным кристаллам такие элементы, как кристаллы исландского шпата или кальцита. В указанных веществах существует определенное выделенное направление, вдоль которого необыкновенная и обыкновенная волна распространяются, не разделяясь в пространстве и времени.

Направление, в котором нет явления двойного лучепреломления, называется оптическим вектором кристалла, который является не прямой линией, проходящей через конкретную точку кристалла, а определенным направлением в самом кристалле.

Любая прямая, расположенная прямо параллельно этому направлению, является оптической осью. Многочисленные исследования обыкновенного и необыкновенного лучей доказывают, что оба вектора полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Систематические колебания оси напряженности электромагнитного поля в обыкновенной волне возникают в той стороне, которая параллельна главному сечению кристалла для простого луча. В необыкновенной волне все колебания вектора напряженности всегда совершаются в плоскости, совпадающей с основным сечением для необыкновенного двойного луча.

Параметр преломления, а, следовательно, и общая скорость распространения для обыкновенного луча не зависит от изначального направления в кристалле. Обыкновенный луч находится и действует в кристалле по законам геометрической оптики.

Для необыкновенного луча показатель итогового преломления изменяется от направления оптической оси до перпендикулярного по отношению к ней вектора.

Распространение электромагнитных волн в анизотропных средах

Двойное лучепреломление в основном объясняется спецификой распространения электрических и магнитных волн в анизотропных, стабильных средах. Электрическое поле любой световой волны E, проникая в определенное вещество, вызывает вынужденные внутренние колебания электронов в молекулах и атомах среды. Колеблющиеся элементы, в свою очередь, являются главным источником вторичного излучения световых лучей. Таким образом, прохождение волны света через вещество – это результат последовательного переизлучения электронов.

В тех случаях, когда двойное лучепреломление крайне велико, можно наблюдать непосредственное определение показателей светового преломления при помощи специальных призм или универсальных кристалло-рефрактометров, позволяющих делать точные измерения в различных направлениях.

В каждом анизотропном веществе нестабильные колебания электронов значительно легче возбуждаются в определенных направлениях. Поэтому электромагнитные волны с разной поляризацией будут двигаться в анизотропном элементе с различными скоростями. Помимо активных кристаллов, двойное лучепреломление часто наблюдается в искусственно анизотропных предметах (в жидкостях, стеклах и др.), находящиеся в электрическом и магнитном полях, под влиянием механических напряжений. В таких ситуациях внешняя среда становится оптически анизотропной, причем оптический вектор направляется параллельно электромагнитной волне.

Двойное лучепреломление объясняется анизотропией кристаллов. В кристаллах некубической системы диэлектрическая проницаемость зависит от направления. Вектор обыкновенного луча всегда перпендикулярен оптической оси кристалла (перпендикулярен главному сечению). Поэтому при любом направлении распространения обыкновенного луча скорость световой волны будет одна и та же, показатель преломления кристалла для обыкновенного луча не зависит от направления луча в кристалле и равен Вектор необыкновенного луча колеблется в главной плоскости кристалла, он может составлять с оптичесой осью любые углы от 0 до Поэтому скорость распространения света вдоль необыкновенного луча и показатель преломления кристалла для необыкновенного луча зависят от направления этого луча по отношению к оптической оси. При распространении света вдоль оптической оси оба луча совпадают, скорость света не зависит от направления колебаний вектора (в обоих лучах вектор перпендикулярен к оптической оси), показатель преломления необыкновенного луча совпадает с показателем преломления обыкновенного луча: При распространении света в любом другом направлении его скорость и показатель преломления вдоль необыкновенного луча отличаются от соответствующих значений для обыкновенного луча. Наибольшее отличие наблюдается в направлении, перпендикулярном к оптической оси. В этом направлении где – скорость необыкновенного луча в этом направлении. За показатель преломления необыкновенного луча принимают значение для направления распространения, перпендикулярного к оптической оси кристалла. Различают положительные и отрицательные одноосные кристаллы. У положительных кристаллов > ( ).

В некоторых кристаллах один из лучей поглощается сильнее другого. Это явление называется дихроизмом.

Используя принцип Гюйгенса, можно графически построить волновые поверхности обыкновенного и необыкновенного лучей. На рисунке представлены волновые поверхности лучей с центром в точке 2 для момента, когда волновой фронт падающей волны достигает точки1. Вдоль оптической оси оба луча распространяются с одинаковой скоростью. Волновая поверхность для обыкновенного луча, исходящего из точки 2, сфера (в сечении плоскостью – окружность), для необыкновенного – эллипсоид (в сечении плоскостью – эллипс). Огибающие всех вторичных волн, центры которых находятся между точками 1 и 2, представляют собой плоскости. Фронт обыкновенной волны – касательная из точки 1 к окружности; фронт необыкновенной волны – касательная из точки 1 к эллипсу. Для обыкновенного луча направление распространения энергии световой волны совпадает с нормалью к волновой поверхности; обыкновенный луч перпендикулярен к волновой поверхности. Для необыкновенного луча направление распространения энергии не совпадает с нормалью к волновой поверхности; необыкновенный луч проходит через точку касания волнового фронта с эллипсом.

В некоторых кристаллах один из лучей поглощается сильнее другого. Это явление называется дихроизмом.

На фото — крупные фрагменты кристаллов поваренной соли (минерал галит) и исландского шпата (минерал кальцит). Внешне они похожи, однако сильно различаются по своим оптическим свойствам.

Кристаллы галита относятся к кубической сингонии, а это означает, что свет распространяется по кристаллу с одной и той же скоростью вне зависимости от направления. Такие кристаллы называются оптически изотропными.

Вильям Николь на основе кристаллов кальцита в 1829 году сконструировал первый поляризатор (поэтому поляризаторы часто называют призмами Николя или, сокращенно, николями), а в 1851–1854 году сэр Генри Клифтон Сорби предложил конструкцию первого поляризационного микроскопа, что вызвало научную революцию в целом ряде дисциплин, связанных с изучением природных и синтетических веществ. Поляризационный микроскоп позволяет количественно определять многие оптические константы вещества, в том числе и силу двулучепреломления различных минералов и синтетических материалов.

Двойно́е лучепреломле́ние или двулучепреломле́ние — оптическое свойство анизотропных материалов, в которых показатель преломления зависит от направления распространения света. В таких материалах может наблюдаться эффект расщепления луча света на две составляющие, когда при попадании в материал образуется не один, а два преломленных луча с разным направлением и поляризацией. Впервые обнаружен датским учёным Расмусом Бартолином на кристалле исландского шпата в 1669 году.

Прозрачный пластик на фоне поляризованного экрана при наблюдении через поляризатор. Цвета появляются из-за двулучепреломления материалом пластика. Объяснение эффекта в описании к файлу.

Читайте также: