Искусственная оптическая анизотропия

ЛЕКЦИЯ № 3

Поляризация световых волн

– поляризованная и неполяризованная волны;

световая волна – колебания светового вектора (вектора напряженности электрического поля).

- неполяризованная световая волна – естественный свет.

Свет, в котором колебания светового вектора каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным.

Плоскость поляризации – плоскость, в которой совершает колебания световой вектор (вектор напряженности электрического поля).

– устройство ® «поляризатор».

Степенью поляризации называется величина

                                  (3-1)

где I_max и I_min – соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого поляризатором. Для естественного света I_max=I_min и P = 0, для плоскополяризованного I_min= 0 и P = 1.

Поляризация волн при отражении и преломлении:

При падении луча света на границу раздела двух сред с разными показателями преломления происходит частичное отражение и преломление света. Кроме этого отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными.

При изменении угла падения степень поляризации лучей изменяется.

При определенном угле падения (угол Брюстера), при котором угол между отраженным и преломленным лучами становится равным 90°, отраженный луч оказывается 100% поляризованным в плоскости перпендикулярной плоскости падения, а поляризация преломленного луча достигает максимального значения.

Тогда из закона преломления света следует:

                                (3-2)

- закон Брюстера.

У большинства прозрачных кристаллов существует плоскость (плоскость пропускания кристалла), пропускающая колебания только определенного направления и полностью задерживающая колебания, перпендикулярные этой плоскости.

Из природных кристаллов, давно используемых в качестве поляризатора, следует отметить турмалин.

                          (3-3)

- закон Малюса

естественный свет:

, но .

тогда .

                              П                       А

поглощение

                          (3-3а)

Двойное лучепреломление

Большинство прозрачных кристаллов обладают способностью двойного лучепреломления, т.е. раздваивания каждого подающего на них светового пучка. Это явление, впервые обнаруженное датским ученым Э. Бартолином в 1669 г. для исландского шпата (разновидность кальцита CaCO₃), объясняется особенностями распространения света в анизотропных средах и непосредственно вытекает из уравнений Максвелла.

Если на такой кристалл направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу. Даже в том случае, когда первичный пучок падает на кристалл нормально, преломленный пучок разделяется на два, причем один из них является продолжением первичного, а второй отклоняется.

В основу работы поляризационных приспособлений, служащих для получения поляризованного света, лежит явление двойного лучепреломления. Наиболее часто для этого применяют призмы и поляроиды.

Поляризационные призмы построены по принципу полного отражения одного из лучей (например, обыкновенного) от границы раздела, в то время как другой луч с другим показателем преломления проходит через эту границу. Типичным представителем поляризационных призм является призма Николя (николь).

Двоякопреломляющие кристаллы обладают свойством дихроизма,т.е.различного поглощения света в зависимости от ориентации электрического вектора световой волны, и называются дихроичными кристаллами.

Дихроичные кристаллы приобрели еще более важное значение в связи с изобретением поляроидов.

Примером поляроида может служить тонкая пленка из целлулоида, в которую вкраплены кристаллы двоякопреломляющего вещества с сильно выраженным дихроизмом. Такая пленка уже при толщине 0,1 мм полностью поглощает обыкновенные лучи видимой области спектра, являясь в таком тонком слое совершенным поляризатором. Преимущество поляроидов перед призмами – возможность изготовлять их с площадями поверхностей до нескольких квадратных метров.

Пленки на фарах и лобовых стеклах автомобилей!

Искусственная оптическая анизотропия

- ячейка Керра (оптический затвор)

Вращение плоскости поляризации

Оптически активные вещества:

кристалл (кварц)    j  = ad, a = const.

раствор сахара        j = bCd, b = const;

                                   C – концентрация.

Явление поляризации света и особенности взаимодействия поляризованного света с веществом нашли исключительно широкое применение в научных исследованиях кристаллохимической и магнитной структуры твёрдых тел, оптические свойства кристаллов, природы состояний, ответственных за оптические переходы, структуры биологических объектов, характера поведения газообразных, жидких и твёрдых тел в полях анизотропных возмущений (электрическом, магнитном, световом и пр.), а также для получения информации о труднодоступных объектах (в частности, в астрофизике).

Поляризованный свет широко используется во многих областях техники, напр. при необходимости плавной регулировки интенсивности светового пучка (закон Малюса), при исследованиях напряжений в прозрачных средах (поляризационно-оптический метод исследования), для увеличения контраста и ликвидации световых бликов в фотографии, при создании светофильтров, модуляторов излучения и пр.