Поляризованный свет

По способу распространения свет может быть естественным и поляризованным.

Естественным называется свет, который удовлетворяет трем условиям:

1) В каждый данный момент времени направления колебаний в разных точках луча различны;

2) В каждой данной точке луча направления колебаний в разные моменты времени различны;

3) Амплитуды колебаний, направленных в разные стороны в естественном луче, в среднем равны.

Естественным считается свет, который исходит от солнца и других раскаленных тел (рис. 13, а).

Поляризованным называется свет, амплитуды колебаний которого по разным направлениям различны. В кристаллооптике используется линейно поляризованный свет, в котором все колебания совершаются в одном направлении, тогда как по другим направлениям они равны нулю (рис. 13, б).

Степень поляризации может быть различной и, если свет не полностью поляризован, то говорят о частично поляризованном свете. Частично поляризованным (в той или иной степени) свет становится при прохождении через любую среду, отличную от воздуха (стекло, воду, кристаллы и др.), а также при отражении от этой среды. Степень поляризации выражается в процентах и очень зависит от вещества (его внутренне структуры), через которое проходит и от которого отражается свет. Также сильно степень поляризации зависит от угла падения. При изменении угла падения степень поляризации изменяется. Существует некоторый угол падения (П), при котором свет становится полностью поляризованным. Этот угол называется углом поляризации. Существует зависимость угла поляризации от показателя преломления среды tg П = n. Это соотношение отвечает условию, когда отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (рис. 14). Это видно из следующей формулы: n = tg П _* , которая является математическим выражением закона Брюстера.

Далее n = (закон преломления). Отсюда sin r = cos П, т. е. П + r = 90º. Для стекол, у которых n = 1,5, угол поляризации (П) равен 56º. На этом свойстве света были основаны первые простейшие устройства для поляризации света – поляризаторы. Например, простейшим поляризатором служил кристалл турмалина или стеклянная стопа (с тонкими прослойками воздуха между пластинками), через которую пропускали свет (поляризованным оказывался преломленный луч), или зеркало из черного стекла, которое ставили под углом поляризации к падающему на него свету (поляризованным оказывался отраженный луч). Для таких приборов требуется очень сильное освещение, т. к. вследствие многократного отражения теряется значительная часть света. Поэтому в настоящее время эти устройства не применяются.

В изотропной среде полной поляризации для преломленного луча нельзя добиться ни при каких условиях. Здесь преломленный луч может быть только максимально поляризованным при угле падения, равном углу поляризации (П), но это будет далеко не стопроцентная поляризация.

В анизотропных средах (во всех кристаллах низших и средних сингоний) происходит полная поляризация света. Однако такие кристаллы обладают двупреломлением. При этом, как мы уже говорили, световой луч, при прохождении через кристаллическое вещество, распадается на два луча (обыкновенный и необыкновенный), которые проходят через кристалл с различной скоростью. Но обе эти волны будут полностью поляризованными во взаимно перпендикулярных направлениях. На этом свойстве основаны современные поляризаторы.

Поляризаторы

Первым поляризатором, получившим широкое признание, была призма Николя (1828 г.) или просто николь.

Николь был приготовлен из удлиненной спайной выколки исландского шпата (кальцита), в котором пропорции длинного и короткого ребра были 1:3,5.

Эта выколка распиливалась по диагонали, а затем склеивалась особым веществом – канадским бальзамом, которое представляет собой изотропное вещество – смолу канадской или сибирской пихты.

Проследим ход лучей через николь. Луч света, входя в призму, распадается на два луча – о и е (обыкновенный и необыкновенный), которые идут с различной скоростью через исландский шпат и доходят до прослойки канадского бальзама (рис. 15). Волны имеют различные скорости прохождения через кальцит, поскольку показатели преломления кальцита для них различны. Показатель преломления исландского шпата для обыкновенной волны n_o = 1,658, а для необыкновенной волны (если свет идет перпендикулярно к оптической оси) n_o = 1,486.

Дальше происходит очень интересное явление.

Как только две волны подходят к прослойке канадского бальзама, показатель преломления которого приблизительно равен 1,54 (это изотропная среда), только луч е проходит через эту прослойку и выходит из прибора, т. к. показатель преломления кальцита для волны е меньше показателя преломления канадского бальзама.

Обыкновенная волна, для которой показатель преломления кальцита гораздо больше показателя преломления канадского бальзама, испытывает полное внутреннее отражение. Отраженный луч обычно поглощается черной оправой, в которую заключен прибор. Главный недостаток призмы николя – малый угол зрения, равный 29º.

Призмами Николя в настоящее время не пользуются. Сейчас в устройстве поляризационных приборов используют другие поляризаторы, имеющие значительно больший угол поля зрения, в том числе и поляроиды. Поляроид изобрел в 1928 г. Э. Лэнд, использовав синтезированные в 1851 г. В. Герапатом кристаллики соединений йода с сернокислым хинином. Эти кристаллики обладают свойством поглощать лучи е, тогда как лучи о проходят через них беспрепятственно. Однако малые (субмикроскопические) размеры этих кристаллов не позволили В. Герапату их использовать. Э. Ленд нашел оригинальное решение, позволяющее пользоваться особыми свойствами этих кристаллов. Он кристаллизовал эти соединения в вязкой среде (желатине) таким образом, что все зерна были ориентированны одинаково и плотно прилегали друг к другу. Таким образом, поляроид – это тонкая желатиновая пленка, которая обладает всеми свойствами поляризаторов. За счет сравнительной простоты их изготовления, большого поля зрения (120º), различных размеров и небольшой толщины поляроиды прочно завоевали лидирующее место среди поляризаторов.

1.5.2. Прохождение поляризованного света
через поляризатор

Рассмотрим, что происходит с поляризованным лучом света, который падает на поляризатор.

Мы знаем, что, проходя через поляризатор, световые колебания приобретают одно направление. Другими словами, поляризатор – это своего рода фильтр, который пропускает только те световые лучи, колебания которых совершаются в одном определенном (заданном поляризатором) направлении. Все остальные лучи, колебания которых не соответствуют направлению колебаний, заданному поляризатором, просто не могут через него пройти. Так что же произойдет с уже поляризованным светом, который мы захотим опять пропустить через поляризатор? Необходимо вспомнить, что колебания преломленного луча совершаются в плоскости падения, а отраженного – перпендикулярно к этой плоскости, а также вспомнить закон Малюса.

Этот закон говорит о том, что амплитуда колебаний луча, пропущенного вторым поляризатором, равна амплитуде колебаний луча, пропущенного первым поляризатором, умноженной на косинус угла между направлениями колебаний обоих лучей (рис. 16).

Если заменить амплитуду интенсивностью света, получим:

I₁ = I₀ cos² α.

Это выражение и называется законом Малюса.

В частных случаях при α = 0º или α = 180º I₁ = I₀, (интенсивность света не изменяется, т.к. cos² α = 1 и ОА = ОР); при α =90º cos²α = 0 (интенсивность света будет нулевой):

ОА = ОР cos 90˚ = 0.

Обобщив вышесказанное, отметим, что при прохождении поляризованного света через поляризатор могут возникнуть три случая:

1) когда направление колебаний поляризованного света совпадает с направлением колебаний в поляризаторе, то поляризованный свет пройдет через поляризатор без изменения

2) когда направление колебаний поляризованного света не совпадает с направлением колебаний в поляризаторе (находится к нему под неким углом, не равным 90º), то поляризованный свет выйдет из поляризатора в ослабленном виде;

3) когда направление колебаний поляризованного света образует с направлением колебаний в поляризаторе 90º, то из поляризатора свет не выйдет;

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: