Поляризация света при отражении и преломлении

Поляризация света

Свойства световой волны в разных плоскостях, проходящих через луч, различны. Фотохимическое действие, и следовательно, зрительное ощущение вызывается колебаниями вектора напряженности электрического поля E, поэтому в дальнейшем под световым вектором будем подразумевать только вектор E.

Плоскость, проходящая через луч и вектор напряженности электрического поля E, носит название плоскости колебаний. По историческим причинам плоскостью поляризации была названа не плоскость, в которой колеблется вектор E, а перпендикулярная к ней плоскость. В настоящее время под плоскостью поляризации понимается плоскость колебаний вектора E.

Свет от естественных источников не может быть поляризованным. То один, то другой атом источника света испускает электромагнитные волны в данном направлении. Плоскость колебаний при этом непрерывно хаотически меняется.

Свет, в котором колебания вектора Eпроисходят хаотически во всевозможных направлениях, перпендикулярных лучу, называется естественным.

Свет, в котором направления колебаний вектора Eупорядочены каким-либо образом, называется поляризованным.

Если колебания вектора E происходят только в одной, проходящей через луч, плоскости, то свет называется плоско- (или линейно-) поляризованным.

Упорядоченность может заключаться в том, что вектор E поворачивается вокруг луча, одновременно пульсируя по величине, в результате чего конец вектора E описывает эллипс. Такой свет называется эллиптическиполяризованным. Если конец вектора E описывает окружность, то свет называется поляризованным по кругу. Свет, в котором колебания вектора E в одном направлении преобладают над колебаниями в других направлениях, называется частичнополяризованным.

Плоскополяризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами. Эти приборы свободно пропускают колебания вектора E параллельные некоторому выделенному направлению (плоскости пропускания поляризатора) и задерживают колебания, перпендикулярные к этой плоскости. При вращении поляризатора вокруг направления естественного луча интенсивность прошедшего света остается одной и той же (т.к. в естественном свете равновероятны любые плоскости колебаний), изменяется лишь ориентация плоскости поляризации света, выходящего из прибора. Интенсивность поляризованного света, полученного при помощи поляризатора, очевидно равна половине интенсивности естественного (без учета поглощения).

Пусть на поляризатор падает плоскополяризованный свет, амплитуда колебаний светового вектора которого − E₀ и интенсивность − I₀(рис.25). Пусть плоскость колебаний вектора E₀в падающей волне составляет угол φ с плоскостью пропускания поляризатора, тогда сквозь поляризатор пройдет составляющая

E_II =E0 cosφ .

Составляющая E_┴ будет задержана поляризатором.

Интенсивность волны определяется энергией волны, которая пропорциональна квадрату амплитуды колебаний вектора напряженности, т.е. I ~ E². Следовательно, для интенсивности света I ~ E_II² , прошедшего через поляризатор, получим

      (4.1)

Соотношение (4.1) носит название закона Малюса.

Двойное лучепреломление

Прозрачные кристаллы с отличающейся от кубической кристаллической решеткой обладают свойством двойного лучепреломления, которое проявляется в том, что прошедший через кристалл луч света раздваивается. Два получившихся луча оказываются поляризованными во взаимно перпендикулярных плоскостях, причем один из них, названный необыкновенным (е), не подчиняется обычному закону преломления. Второй луч ведет себя согласно закону Снеллиуса и называется обыкновенным (о). В двоякопреломляющих кристаллах существует направление, называемое оптической осью кристалла, при падении вдоль которого луч не раздваивается (одноосные кристаллы). Иногда таких направлений может быть два (двуосные кристаллы).

Необыкновенный луч преломляется даже тогда, когда падает нормально на поверхность кристалла (конечно же не вдоль его оптической оси). Такой случай изображен на рис. 26. На нем стрелками и точками указано направление колебаний вектора Е . Видно, что в необыкновенном луче колебания происходят в плоскости, образованной направлением луча света и оптической осью ОО^/ (главная плоскость или главное сечение кристалла), а в обыкновенном − перпендикулярно ей.

Двойное лучепреломление обусловлено зависимостью скорости распространения света в кристалле от угла между направлением колебаний вектора Е и оптической осью. Для обыкновенного луча этот угол всегда прямой и, следовательно, его показатель преломления постоянен.

В настоящее время для получения поляризованного света в оптической технике применяется способ изготовления поляроидных пленок (или так называемых поляроидов). Поляроид состоит из тонкой целлулоидной пленки, в которую вкраплены микроскопические кристаллы турмалина или геропатита (сернокислого йод-хинина). Особой обработкой достигается одинаковое расположение оптических осей всех кристаллов, вкрапленных в эту пленку. Эти кристаллы практически полностью поглощают обыкновенный луч и пропускают только необыкновенный (явление дихроизма). Таким образом падающий естественный свет проходя через поляроид, становится плоскополяризованным.

Некоторые изотропные вещества (стекло, плексиглас) под действием деформаций обнаруживают оптическую анизотропию и приобретают свойства двупреломляющих кристаллов.

Экспериментально установлено, что разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей (n₀ – n_С) пропорциональна напряжению Р, т.е. силе, приходящейся на единицу площади F/S (S - сечение образца).

Если деформация происходит в пределах выполнимости закона Гука, то выше описанное явление называется фотоупругостью. Коэффициент, характеризующий упругие свойства вещества, носит название константы фотоупругости.

Так как показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей различны, то эти лучи проходят различные оптические пути и , где l - толщина пластинки. Разность хода, приобретаемая лучами, равна

.

Тогда выражая разность в длинах волн, получим:

,           (4.2)

c – постоянная величина, характеризующая вещество.

Так как  и  зависят от длины волн, то при наблюдении в белом свете искусственно анизотропное тело, помешенное между "скрещенными" поляризатором и анализатором дает пестро окрашенную картину. Распределение окраски может служить хорошим качественным признаком распределения напряжения.

Величину c в последней формуле обычно выражают брюстерах. (1 брюстер = 10 см/дн). Для стекла c колеблется от 1 до 10 для целюллоида от 10 до 100.

Геометрическое место точек, соответствующих равным напряжениям Р, образуют цветную полосу одного тона. Эти полосы называют изохромами.

Изохромы разделяются на порядки:1, 2, 3, ...; и имеют обычную последовательность цветов кристаллических пластинок.

Изохромы нулевого порядка относятся к точкам, где напряжение Р=0, если они существуют, то они имеют вид черных полос. Чаще всего это не полосы, не линии, а "особые точки", где напряжение носит характер всестороннего сжатия или растяжения.

Метод фотоупругости находит широкое применение в промышленности и с успехом применяется для исследований напряжений в сложных конструкциях из непрозрачных материалов, например: металла, бетона и др.

С этой целью из прозрачного вещества /стекла или плексигласа/ изготавливают, как правило, уменьшенную модель изучаемой конструкции и на этой модели исследуют характер и распределение напряжений.

Поляризация света при отражении и преломлении

Электромагнитная волна (свет) падая на диэлектрик, вызывает колебания зарядов в атомах и молекулах вещества. Атомы и молекулы сами становятся излучателями вторичных электромагнитных волн. Эти вторичные волны излучаются электронами, колеблющимися в атомах и молекулах диэлектрика, причем направление колебаний электрона совпадает с направлением колебаний вектора напряженности электрического поля E падающей волны.

Пусть на поверхность диэлектрика D падает естественный луч света от источника S (рис.27). В естественном луче света имеются колебания вектора E всевозможных направлений в плоскости, перпендикулярных лучу. Из всех возможных направлений вектора E выберем два взаимно перпендикулярных: одно в плоскости падения, другое в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. На рис. 27 черточками показаны колебания вектора E в плоскости чертежа (плоскость падения), а точками − в плоскости, перпендикулярной плоскости падения.

Колебания вектора E, перпендикулярные плоскости падения, вызывают колебания диполей на поверхности диэлектрика. Эти диполи излучают вторичные волны в направлениях отраженного и преломленного лучей. Колебания вектора E, параллельные плоскости падения, вызывают колебания диполей, которые излучают волны преимущественно в направлении преломленного луча. По этим причинам в отраженном луче будут преобладать колебания перпендикулярные плоскости падения, а в проходящем (преломленном) луче − колебания параллельные плоскости падения. Следовательно, и отраженные и преломленные лучи будут частично поляризованы.

Брюстер установил, что, если лучи естественного света падают на диэлектрик под таким углом i, что угол между отраженным и преломленным лучами равен 90°, то отраженные лучи полностью поляризованы в плоскости перпендикулярной плоскости падения т.е. α=180°−(i+r)=90° или r=90°− i . По закону преломления имеем

       (4.3)

Угол, при котором отраженный от диэлектрика луч полностью поляризован, называют углом Брюстера, а выражение выражает

математическую запись закона Брюстера.

Поскольку преломленный свет является наложением первичного естественного света и света, излучаемого диполями диэлектрика, то он в любом случае будет частично поляризован

Степенью поляризации называется величина , где  и  – максимальная и минимальная интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора .

Для естественно света  =  и P = 0, для плоскополяризованного  = 0 и P = 1.

Оптическая активность

Некоторые вещества при прохождении через них плоскополяризованного света способны поворачивать его плоскость поляризации (например, твердые тела − кристаллы кварца, сахара, киновари; чистые жидкости − скипидар, никотин, винная кислота; растворы − водные растворы сахара, винного спирта и др.). Их принято называть оптически активными веществами.

Опыт показывает, что угол поворота плоскости поляризации для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей

φ = αl,

а для растворов

φ =[α]C l,               (4.4)

где l − расстояние, пройденное светом в веществе; α или [α] (для растворов) − удельное вращение; С − концентрация оптически активного вещества в растворе.

Лабораторная работа № 7