Двойное лучепреломление поляроиды кратко

Обновлено: 04.07.2024

Для получения поляризованного света пользуются также явлением двойного лучепреломления.

Если кусок исландского шпата положить на какую-либо надпись, то сквозь него мы увидим надпись сдвоенной (рис. 133).

Рис. 133. Двойное лучепреломление.

Раздваивание изображения происходит вследствие того, что каждому падающему на поверхность кристалла лучу соответствуют два преломленных луча. На рис. 134 изображен случай, когда падающий луч перпендикулярен к поверхности кристалла; тогда луч о, называемый обыкновенным, проходит сквозь кристалл непреломленным, а луч называемый необыкновенным, идет по ломаной, изображенной на рис. 134.

Рис. 134. Ход лучей при двойном лучепреломлении.

Названия лучей понятны: обыкновенный луч ведет себя так, как мы этого могли ожидать на основании известных законов преломления. Необыкновенный же луч как бы нарушает эти законы: он падает по нормали к поверхности, но испытывает преломление. Оба луча выходят из кристалла плоскополяризованными, причем они поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях. В этом легко убедиться весьма простым опытом. Возьмем какой-либо анализатор (например, стопу) и посмотрим сквозь него на раздвоенную картину, даваемую кристаллом. При определенном положении стопы мы увидим только одно из изображений, второе будет погашено. При повороте стопы вокруг луча зрения на 90°

это второе изображение появится, но зато исчезнет первое. Таким образом, мы действительно убеждаемся в том, что оба изображения поляризованы и именно так, как это было только что указано.

Перейдем теперь к более детальному разбору явления двойного лучепреломления. Если мы будем изменять угол падения луча на поверхность кристалла, то при этом обнаружится новое замечательное свойство необыкновенного луча. Оказывается, что его показатель преломления не постоянен, а зависит от угла падения. Поскольку от угла падения зависит и направление преломленного луча в кристалле, можно сформулировать указанное свойство еще так: показатель преломления необыкновенного луча зависит от его направления в кристалле. Переходя, наконец, от показателя преломления к скорости распространения, можно сказать, что скорость необыкновенного луча в кристалле зависит от направления его распространения.

В этой окончательной формулировке оптические свойства кристалла совпадают с его остальными свойствами: диэлектрическая постоянная, теплопроводность и упругость кристалла также неодинаковы по разным направлениям. Соответствие между анизотропией оптических и электрических свойств кристалла становится вполне понятным, если вспомнить, что скорость света обратно пропорциональна корню квадратному из диэлектрической постоянной среды (§ 2). Поэтому, строго говоря, скорость распространения световой волны зависит не от направления распространения, а от направления электрического поля световой волны. Если даже по одному направлению в кристалле распространяются две поляризованные во взаимно-перпендикулярных плоскостях световые волны, то их скорости будут различны (за исключением некоторых специальных случаев). Примером двух таких волн являются необыкновенный и обыкновенный лучи.

Если от точки, лежащей на поверхности исландского шпата, провести внутри кристалла радиусы-векторы, величина которых пропорциональна скорости света по соответствующим направлениям, то концы их будут лежать на поверхности эллипсоида вращения. Это

эквивалентно тому, что волновая поверхность световых колебаний, распространяющихся от точки, имеет эллипсоидальную форму в отличие от сферической при распространении в аморфном теле. Все время речь, конечно, идет о необыкновенном луче. Обыкновенные же лучи, очевидно, образуют сферическую волновую поверхность. Таким образом, в кристалле мы имеем два типа волновых поверхностей: эллипсоиды и сферы. Эти эллипсоиды и сферы соприкасаются в точках, лежащих на прямых, называемых оптическими осями кристалла.

Ясно, что свет распространяется по направлению оптической оси со скоростью, совершенно не зависящей от состояния поляризации. В исландском шпате имеется только одно направление оптической оси — одноосный кристалл.

Пользуясь простым графическим методом, основанным на принципе Гюйгенса, построим преломленную волну как обыкновенного, так и необыкновенного лучей (§ 25). Одна волна явится касательной к ряду элементарных сфер, другая будет касательной к ряду эллипсоидов (рис. 135). Мы видим, что образуется угол между этими двумя плоскими волнами, что соответствует образованию угла между преломленными лучами, т. е. двойному лучепреломлению.

Рис. 135. Построение Гюйгенса в кристалле.

В отличие от изотропной среды в кристалле луч (необыкновенный) уже не является нормалью к волновой поверхности. На рис. 135 о обозначает обыкновенный луч, необыкновенный и нормаль.

Однако есть и в кристалле исландского шпата такое направление, по которому и обыкновенный, и необыкновенный лучи идут с одинаковой скоростью, не разделяясь. Это направление носит название оптической оси кристалла. Очевидно, что на оптической оси лежат точки соприкосновения эллипсоида со сферой. В плоскости, перпендикулярной к оптической оси, лежат направления, по которым разность скоростей между обыкновенным и необыкновенным лучами максимальна. Обыкновенный и необыкновенный лучи идут при этом по одному направлению, но необыкновенный луч обгоняет обыкновенный.

Всякая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла.

Кроме исландского шпата к числу одноосных кристаллов принадлежат, например, кварц и турмалин. Есть кристаллы, в которых явления преломления подчиняются еще более

сложным законам. В частности, для них существуют два направления, по которым оба луча идут с одинаковой скоростью, поэтому такие кристаллы называются двуосными (например, гипс). В двуосных кристаллах оба луча необыкновенные, т. е. скорости распространения обоих лучей зависят от направления.

Турмалин обладает замечательной способностью поглощать один из лучей, получающихся при двойном лучепреломлении, благодаря чему кристалл турмалина служит как поляризатор, дающий сразу один поляризованный луч.

Еще в 1850 г. Герапат обнаружил, что искусственно изготовленные кристаллики сульфата иодистого хинина обладают такими же свойствами, как турмалин.

Рис. 136. Применение поляроидов.

Однако отдельные кристаллики были слишком малы и быстро портились на воздухе. Лишь в самые последние годы научились изготовлять в промышленных масштабах цел лулоидную пленку, в которую введено большое количество совершенно одинаково ориентированных кристалликов сульфата иодистого хинина. Эта пленка называется поляроидом.

Поляриод полностью поляризует свет, не только проходящий по нормали к его поверхности, но сохраняет свои свойства для лучей, образующих с нормалью углы до 30°. Таким образом, поляроид может поляризовать довольно широкий конус световых лучей.

Поляроид нашел себе широкое применение в самых разнообразных областях. Укажем на наиболее любопытное применение поляроида в автомобильном деле.

Пластинки из поляроида укрепляются на переднем стекле автомобиля (рис. 136) и на автомобильных фарах. Пластинка поляроида на переднем стекле является анализатором, пластинки на фарах — поляризаторами. Плоскости поляризации пластинок составляют угол 45° с горизонтом и параллельны друг другу. Шофер, смотрящий на дорогу сквозь поляроид, видит отраженный свет своих фар,

т. е. видит освещенную ими дорогу, так как соответствующие плоскости поляризации параллельны, но не видит света от фар встречного автомобиля, снабженного также пластинками из поляроида. В последнем случае, как нетрудно убедиться из рис. 136, плоскости поляризации будут взаимно-перпендикулярны. Тем самым шофер защищен от слепящего действия фар встречного автомобиля.

Из поляроида изготовляются очки, сквозь которые делаются незаметными блики света, отраженного от блестящих поверхностей. Объясняется это тем, что обычно блики частично или полностью поляризованы. Поляроидные очки весьма целесообразно применять в музеях и картинных галереях (поверхность картин, нарисованных масляными красками, часто дает блики, мешающие рассмотреть картины и искажающие оттенки красок).

Одним из наиболее распространенных поляризаторов является так называемая призма Николя, или просто николь.

Рис. 137. Разрез призмы Николя.

Призма Николя представляет собой кристалл исландского шпата, распиленный по диагонали и склеенный канадским бальзамом (рис. 137). В призме Николя один из лучей, возникающих в результате двойного лучепреломления, устраняется весьма остроумным способом. Обыкновенный луч, преломляющийся сильнее, падает на границу с канадским бальзамом под углом падения, большим, чем необыкновенный луч. Поскольку показатель преломления канадского бальзама меньше, чем исландского шпата, происходит полное внутреннее отражение и луч попадает на боковую грань. Боковая грань покрыта черной краской и поглощает падающий на нее луч. Из призмы выходит, таким образом, только один плоскополяризованный луч (необыкновенный). Плоскость поляризации этого луча носит название главной плоскости николя.

Два николя, расположенных друг за другом, с взаимно-перпендикулярными главными плоскостями, очевидно, совершенно не пропустят света. Если же главные плоскости будут параллельны, то сквозь николи пройдет максимальное количество света. Возникает вопрос, какое количество света пропустит такая комбинация николей при каком-либо промежуточном положении, когда угол а между главными плоскостями больше нуля, но меньше 90°.

Поскольку каждый поляризатор, как мы уже говорили, можно сравнить со щелью, пропускающей лишь колебания, лежащие в ее плоскости, ход вычисления интенсивности света, прошедшего через два николя, ясен. Для этой цели изобразим главные плоскости николей в виде прямых I u II (рис. 138). Тогда выходящие из первого николя колебания совпадают с и если мы их разложим на две компоненты (одну, совпадающую с и вторую, к ней

перпендикулярную), то первая компонента пройдет полностью, а вторая, очевидно, будет задержана николем. Величина амплитуды, слагающей колебания по направлению II, как видно из чертежа, равна где А — амплитуда колебаний, вышедших из первого николя. Эта компонента, как мы только что сказали, пройдет полностью; следовательно, это и будет амплитуда прошедшего через два николя колебания.

Рис. 138. К расчету энергии, прошедшей сквозь два николя.

Энергия световой волны, как и всякого колебания, пропорциональна квадрату амплитуды; следовательно, окончательно для световой энергии, прошедшей сквозь два николя, мы имеем следующую формулу — закон Малюса:

причем меняется от до при изменении а от О до Таким образом, вращая один из николей, мы можем ослаблять проходящий свет в любое число раз и получать свет любой интенсивности.

Закон Малюса, очевидно, применим для любого поляризатора и анализатора. В частности, тому же закону подчиняется интенсивность света, отраженного последовательно от двух стеклянных зеркал.

Если призма Николя служит для получения одного поляризованного луча, то призма Волластона дает два луча, поляризованных во взаимно-перпендикулярных плоскостях и расположенных симметрично по отношению к падающему лучу. Устройство призмы Волластона чрезвычайно остроумно и особенно отчетливо показывает, как скорость распространения лучей в кристалле зависит от направления их плоскости поляризации.

Рис. 139. Призма Волластона.

Призма Волластона состоит из двух кусков исландского шпата, вырезанных параллельно оптической оси и склеенных так, что оптическая ось одного куска перпендикулярна к оптической оси другого куска. На рис. 139 оптическая ось правого куска параллельна плоскости чертежа, а оптическая ось левого куска перпендикулярна к ней.

Пучок света, падающий нормально на верхнюю границу, разделится на два луча: обыкновенный с плоскостью поляризации, параллельной оптической оси, и необыкновенный, поляризованный в перпендикулярном направлении. Оба луча идут по одному направлению, но с разными скоростями, определяемыми показателями преломления Дойдя до границы раздела со вторым куском, оба

луча меняются ролями. Плоскость поляризации обыкновенного (в первом куске) луча уже становится перпендикулярной к оптической оси (второго куска), следовательно, этот луч во втором куске будет распространяться как необыкновенный. Наоборот, необыкновенный в первом куске луч будет во втором куске уже обыкновенным, так как его плоскость поляризации параллельна оптической оси этого куска. Таким образом, один луч (обыкновенный в первом куске) переходит из среды с показателем преломления в среду с показателем преломления другой (необыкновенный в первом куске) — из среды в среду с У исландского шпата больше Следовательно, первый луч переходит из более плотной среды в менее плотную, второй — наоборот. В результате один луч преломится на границе влево, а другой настолько же вправо, и из призмы симметрично войдут два поляризованных луча.

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

При прохождении естественного света через некоторые кристаллы, падающий луч, разделяется на два плоско-поляризованных луча. Отсюда и возник термин двойное лучепреломление. Это явление впервые описалЭразм Бартоломинус (1669) (1625-1698).Он наблюдал это явление на кристалле исландского шпата.

Двойное лучепреломление объясняется анизотропией показателя преломления кристалла. Если кристалл анизотропен, то его диэлектрическая проницаемость по разным направлениям, например, по осям х и y могут быть различными, различными будут и показатели преломления и для лучей, поляризованных вдоль координатных осей с электрическими векторами Е_х и Е_у. Если в вакууме оба луча распространялись совместно, то попадая в кристалл, они преломятся под разными углами и пространственно разойдутся. Оба луча будут распространяться с разной скоростью и , соответственно, пройдут различные оптические пути.

При двойном лучепреломлении один из лучей удовлетворяет обычному закону преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью. Этот луч называется обыкновенным и обозначается буквой о. Другой луч, называемый необыкновенным и обозначаемый буквой е, не подчиняется закону преломления света: отношение не остается постоянным при изменении угла падения и не лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью(рис.34а)Если на пластинку падает естественный свет по нормали к поверхности (рис.34б ), то он расщепится на два луча.

Обыкновенный луч пройдет через кристалл, не преломляясь, т.е. не изменяя своего направления. Необыкновенный луч внутри кристалла отклонится и по выходе идет параллельно обыкновенному лучу. При вращении пластинки вокруг обыкновенного луча обыкновенный луч останется на месте, необыкновенныйвращается вокруг него, описывая внутри кристалла конус, вне кристалла – цилиндр.

Явление двойного лучепреломления наблюдается у всех прозрачных кристаллов, за исключением кристаллов кубической системы. В так называемых одноосных кристаллах имеется одно направление в кристалле, в котором не происходит двойного лучепреломления. Это направление называется оптической осью кристалла. Кристалл исландского шпата является одноосным кристаллом. В двуосных кристаллах имеются две оптические оси (например, слюда, гипс). В одноосных кристаллах один из лучей обыкновенный, другой необыкновенный. В двуосных кристаллах оба луча являются необыкновенными.

Любая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением кристалла. Обычно пользуются главным сечением проходящим через падающий луч. Опыт показывает, что обыкновенный инеобыкновенный лучи полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях: плоскость колебаний обыкновенного луча всегда перпендикулярна к главному сечению кристалла, поэтому его показатель преломления не меняется при падении естественного света на кристалл под любым углом.В необыкновенном луче колебания совершаются в плоскости главного сечения, ориентация которой зависит от направления падающей световой волны: показатель преломления необыкновенного луча изменяется в зависимости от угла падения. По выходе из кристалла лучи отличаются только направлением колебаний светового вектора.

Чтобы двоякопреломляющий кристалл использовать для получения поляризованного света, один из лучей следует удалить. В некоторых кристаллах обыкновенный и необыкновенный лучи поглощаются в разной степени. Это явление называется оптическим дихроизмом. В кристалле турмалина дихроизм настолько высок, что необыкновенный луч практически полностью поглощается на пути 1 мм. Естественный луч выходит из пластинки такого кристалла полностью плоско-поляризованным в одной плоскости. Такая пластинка будет поляризатором. Большое распространение как поляризатор находит поляроид – целлулоидная пленка, в которую введено большое количество одинаково ориентированных кристалликов сульфата иодистого хинина (герапатита), в которых один из лучей поглощается на пути около 0,1 мм.

В оптических приборах широкое применение получил поляризатор, называемый призмой Николя (или просто николем). Она представляет собой призму из монокристалла исландского шпата, разрезанную по диагонали и склеенную канадским бальзамом (добывается из смолы канадской пихты). Показатель преломления канадского бальзама лежит между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Угол падения подбирается таким, что обыкновенный луч на слое бальзама испытывает полное внутреннее отражение, а необыкновенный свободно проходит через этот слой и выходит из призмы (рис.35).

Начало XIX века для физики ознаменовалось развитием волновой теории света, которым занимались ученые Т. Юнг и О. Френель. В то время природа световых волн оставалась неизвестной. Изначально предполагалось, что свет является распространяющимися в некоторой гипотетической среде – эфире продольными волнами. Однако в процессе изучения явлений дифракции и интерференции вопрос о том, продольные или поперечные световые волны, стал второстепенен. На тот момент казалось невозможным, что свет – это поперечные волны, по той причине, что по аналогии с механическими волнами пришлось бы признать эфир твердым телом, ведь поперечные механические волны не обладают возможностью распространяться в газообразной или же жидкой среде.

Несмотря ни на что, постепенно копились свидетельствующие в пользу поперечности световых волн экспериментально полученные факты.

Еще в конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата ( CaCO 3 ) обладает свойством, позволяющим ему раздваивать проходящие сквозь него лучи. Данное явление было названо двойным лучепреломлением (рис. 3 . 11 . 1 ).

Рисунок 3 . 11 . 1 . Прохождение света через кристалл исландского шпата (двойное лучепреломление). При повороте кристалла относительно направления первоначального луча оба луча, которые проходят через кристалл, тоже поворачиваются.

Поляризация света

Поляризация света - это явление выделения из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.

Как же получить поляризованный свет?

Французским инженером Э. Малюсом в 1809 году был открыт названный в его честь закон. В экспериментах Малюса свет последовательно пропускался сквозь пару одинаковых пластинок из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватого оттенка). Они могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ , как это проиллюстрировано на рисунке 3 . 11 . 2 .

Рисунок 3 . 11 . 2 . Наглядный пример закона Малюса.

Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos 2 φ :

Двойное лучепреломление точно также, как и закон Малюса не может быть объяснено с точки зрения теории продольных волн. Для продольных волн направление распространения луча представляет собой ось симметрии. В них любые направления в плоскости, нормальной, то есть перпендикулярной, лучу, равноправны.

В поперечной волне, к примеру, в бегущей по резиновому жгуту волне, направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны (рис. 3 . 11 . 3 ).

Рисунок 3 . 11 . 3 . Поперечная волна в резиновом жгуте. Частицы совершают колебательные движения вдоль оси y . При повороте щели S затухнет волна.

Выходит, что асимметрия относительно направления распространения луча – это решающий признак, отличающий поперечную и продольную волны. Первым высказал догадку о поперечности световых волн Т. Юнг в 1816 году. Независимо от Юнга Френель тоже выдвинул концепцию поперечности световых волн, и даже смог обосновать ее с помощью большого количества опытов. Им была создана теория двойного лучепреломления света в кристаллах.

В середине 60 -х годов XIX века Максвелл, взяв за основу совпадение известных значений скоростей распространения света и электромагнитных волн, сделал вывод о природе света. Ученый решил, что свет – это частный случай электромагнитных волн. К тому времени экспериментальным путем была подтверждена поперечность световых волн. По этой причине Максвелл предположил, что она является еще одним важным аргументом в пользу его выводов насчет электромагнитной природы света.

Пропала необходимость во введении особой среды распространения волн – эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело. Благодаря этому электромагнитная теория света приобрела должную стройность.

В условиях электромагнитной волны вектора E → и B → направлены перпендикулярно друг к другу и находятся в плоскости, которая перпендикулярна направлению распространения волны плоскости. (рис. 2 . 6 . 3 )

Рисунок 2 . 6 . 3 . Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы E → , B → и υ → взаимно перпендикулярны.

В каждом из процессов взаимодействия света с веществом электрический вектор E → играет основную роль. По данной причине его называют световым вектором.

Виды поляризации света

Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, то подобная волна носит название линейно поляризованной или плоско поляризованной. Отметим, что термин поляризации волн ввел Малюс применительно к поперечным механическим волнам.

Плоскость, в которой колеблется световой вектор E → , носит название плоскости колебаний (то есть плоскость y z , изображенная на рисунке 2 . 6 . 3 ), а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор B → , является плоскостью поляризации (плоскость x z на рисунке 2 . 6 . 3 ).

В случае, когда две поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях монохроматические волны распространяются вдоль одного и того же направления, в общем случае результатом их сложения будет эллиптически поляризованная волна (смотрите рисунок 3 . 11 . 4 ).

Рисунок 3 . 11 . 4 . Сложение двух взаимно перпендикулярно поляризованных волн и образование эллиптически поляризованной волны.

В нормальной (то есть перпендикулярной) направлению распространения волны эллиптически поляризованной волне в каждой плоскости P конец результирующего вектора E → за период светового колебания обходит некоторый эллипс, носящий название эллипса поляризации.

Его размер и форма характеризуются амплитудами a x и a y линейно поляризованных волн и фазовым сдвигом Δ φ между ними.

Волна, обладающая круговой поляризацией ( a x = a y , Δ φ = ± π 2 ) представляет собой частный случай эллиптически поляризованной волны.

Данные, получаемые при просмотре рисунка 3 . 11 . 5 , дают представление о пространственной структуре эллиптически поляризованной волны.

Рисунок 3 . 11 . 5 . Электрическое поле в эллиптически поляризованной волне.

Линейно поляризованный свет производится лазерными источниками. В случае отражения или рассеяния свет может стать поляризованным. В частности, голубой свет от неба частично или полностью поляризован. Однако, свет, который испускают обычные источники, такие как, например, солнечный свет и излучение ламп накаливания, является неполяризованным. Свет, исходящий от подобных источников, в любой момент состоит из вкладов огромного числа независимо излучающих атомов, обладающими различной ориентацией светового вектора в волнах, которые они излучают. По этой причине в результирующей волне вектор E → хаотично меняет свою ориентацию во времени, из-за чего в среднем все направления колебаний получаются равноправными.

Неполяризованный свет также называют естественным светом.

В любой момент времени вектор E → может быть спроецирован на две взаимно перпендикулярные оси (смотри рисунок 3 . 11 . 6 ).

Рисунок 3 . 11 . 6 . Разложение вектора E → по осям О х и О у .

Это значит, что любую волну, вне зависимости от того, поляризованная она или же нет, можно представить в виде суперпозиции двух линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях волн: E → ( t ) = E x → ( t ) + E y → ( t ) . В поляризованной волне обе составляющие E x ( t ) и E y ( t ) когерентны, то есть разность фаз между E x ( t ) и E y ( t ) не претерпевает изменений, а в неполяризованной – некогерентны, значит разность фаз представляет собой случайную функцию времени.

Явление двойного лучепреломления света основывается на том, что в кристаллических веществах показатели преломления линейно поляризованных во взаимно нормальных направлениях волн, зачастую различны. По данной причине кристалл раздваивает лучи, которые проходят сквозь него так, как это показано на рисунке 3 . 11 . 1 . Два луча на выходе кристалла линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях.

Кристаллы, в которых происходит двойное лучепреломление, называются анизотропными.

Прибегая к разложению вектора E → на составляющие по осям, можно объяснить закон Малюса (рис. 3 . 11 . 2 ).

У значительной части кристаллов поглощение света кардинально зависимо от направления электрического вектора в световой волне. Такое явление носит название дихроизма.

В частности, данным свойством обладают использованные в знакомых нам опытах Малюса пластины турмалина. При некоторой толщине пластинка турмалина практически полностью поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн (как, к примеру, E x ) и частично пропускает вторую волну (то есть E y ).

Направление колебаний электрического вектора в прошедшей волне является разрешенным направлением пластины.

Пластинка турмалина может применяться как для создания поляризационного света, то есть в качестве поляризатора, так и для анализа характера поляризации света, как анализатор.

В наше время часто применяются искусственные дихроичные пленки, называющиеся поляроидами.

Поляроиды пропускают практически всю волну разрешенной поляризации и не пропускают поляризованную в нормальном направлении волну. Исходя из всего вышесказанного, можно заявить, что поляроиды – это идеальные поляризационные фильтры.

Разберем последовательное прохождение естественного света через пару идеальных поляроидов П 1 и П 2 (рисунок 3 . 11 . 7 ), чьи разрешенные направления развернуты друг относительно друга на угол φ . Первый поляроид в приведенном тандеме занимает место поляризатора. Он преобразовывает естественный свет в линейно поляризованный. Второй поляроид применяется в качестве анализатора.

Рисунок 3 . 11 . 7 . Прохождение естественного света через два идеальных поляроида. y y ' представляет собой разрешенные направления поляроидов.

Обозначение амплитуды линейно поляризованной волны после прохождения света через первый поляроид в виде E 0 = I 0 2 приводит к тому, что пропущенная вторым поляроидом волна приобретает амплитуду E = E 0 cos φ . Таким образом, интенсивность I линейно поляризованной волны на выходе второго поляроида может быть записана в виде следующего выражения:

I = E 2 = E 0 2 cos 2 φ = 1 2 I 0 cos 2 φ .

Выходит, что в электромагнитной теории света закон Малюса находит естественное объяснение, чья основа заключается в разложении вектора E → на его составляющие.

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.

Читайте также: