Основные понятия явлений поляризации

В параллельных световых пучках

В задаче излагаются методы получения плоскополяризованного света, определяется направление колебаний плоскополяризованного света, пропущенного николем и естественным кристаллом исландского шпата, изучаются различные случаи интерференции поляризованного света, определяется толщина кристаллических пластинок и величина двупреломления кристаллической пластинки. Все указанные явления изучаются на простейшем приборе, на котором весьма наглядно с помощью отражения от черной стеклянной пластинки (диэлектрика) получается поляризованный пучок света.

Основные понятия явлений поляризации

Плоскополяризованный свет характеризуется тем, что в нем колебания электрического вектора совершаются в одном, определенном направлении. Плоскость, содержащую это направление и направление светового пучка, называютплоскостью колебаний.В естественном свете плоскость световых колебаний хаотически меняет свое направление в пространстве. Плоскость, перпендикулярная к той, в которой совершаются световые колебания, носит название плоскости поляризацииданной волны. Таким образом, плоскость световых колебаний и плоскость поляризации взаимно перпендикулярны.

Получать поляризованный свет можно следующими способами:

1. С помощью отражения от неметаллического зеркала (вода, стекло и пр.). При этом вообще получается свет только частично поляризованный, но при некотором угле падения световой волны на зеркало поляризация делается полной. Это происходит в том случае, когда тангенс угла падения равен показателю преломления вещества, из которого сделано зеркало. Этот угол называетсяуглом полной поляризации (или просто - углом поляризации) и для стекла равен 57⁰. При полной поляризации плоскость колебаний отраженной волны перпендикулярна к ее плоскости падения.

2. С помощью преломления в стеклянной пластине. Здесь поляризация всегда не полная. В то время как отраженная волна при угле полной поляризации целиком поляризована, в пучке преломленном поляризованного света будет лишь столько, сколько его имеется в пучке отраженном. Например, в случае стекла из пучка, падающего на поверхность стекла под углом поляризации, отражается только 1/7 часть, а 6/7 проходят через стекло, но в этом последнем пучке поляризованного света будет тоже только 1/7, а остальные 5/7 остаются естественным светом.

Чтобы достичь большей степени поляризации и в преломленном световом пучке, его пропускают под углом поляризации (под углом 57⁰) через стопу тонких стеклянных пластинок, наложенных одна на другую (стопа Столетова).

3. Третий способ получения поляризованного света - с помощью преломления естественного света в кристаллах, при этом наблюдается двойное преломление, т.е. разделение световой волны в кристалле на две, идущие с разными скоростями.

4. С помощью поляризационных призм и поляроидов.В кристаллах оптически одноосных(исландский шпат, кварц и др.) волна, распространяющаяся в направлении оси симметрии высшего порядка, не претерпевает раздвоения, и свет не поляризуется. Направление, обладающее таким свойством, носит название оптической оси. Свет же, входящий в кристалл по всякому иному направлению, распадается на две полностью поляризованные волны с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. Одна из этих волн, носящая название обыкновенной,распространяется во всех направлениях с одинаковой скоростью и, следовательно, характеризуется постоянным значением показателя преломления, обозначаемого     n₀. Направление световых колебаний в этой волне перпендикулярно к главному сечению кристалла, т.е. к плоскости, проходящей через направление распространения света и направление оптической оси.

Вторая световая волна, называемая необыкновенной,распространяется в кристалле с различными скоростями в зависимости от направления распространения и, следовательно, характеризуется различными показателями преломления. Значение показателя преломления необыкновенной волны, максимально отличающееся от значения для обыкновенной волны, обозначается черезn _е.

Обе световые волны обыкновенная и необыкновенная, полностью поляризованы. При этом световые колебания необыкновенной волны совершаются в плоскости главного сечения кристалла, а колебания обыкновенной волны к ним перпендикулярны.Таким образом, общая поверхность световых волн в одноосном кристалле представляет собой сложную поверхность, состоящую из шара и эллипсоида, вписанного (положительный кристалл) или описанного (отрицательный кристалл) вокруг шара; при этом шару соответствует обыкновенная волна, а эллипсоиду - необыкновенная. Линия, соединяющая точки касания эллипсоида и шара, будет направлением, в котором скорости обыкновенной и необыкновенной волн равны и, следовательно, не будет происходить явления двупреломления. Это и будет направлением оптической оси.

В оптически двуосныхкристаллах поверхность световой волны имеет значительно более сложную форму и представляет собой двухполостную поверхность. Световая волна, попавшая в такой кристалл, распадается на две
волны, световые колебания в которых совершаются в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. Скорость распространения световых волн в различных направлениях различна, имеются лишь два направления, в которых скорости обеих волн равны. Эти два направления и будут оптическими осями кристалла. Угол между оптическими осями зависит от величины трех главных показателей преломления кристалла и может быть у разных веществ весьма различными. В этом случае, когда острый угол между оптическими осями делится пополам направлением, в котором распространяются световые волны с максимальной и средней скоростью, кристалл считается оптически положительным. Если же в указанном направлении распространяются световые волны с минимальной и средней скоростями, кристалл считается оптически отрицательным. Плоскость, проходящая через оптические оси, называется главным сечениемкристалла.

Отличить естественный свет от поляризованного и определить направление световых колебаний в нем можно при помощи анализаторов, те же приборы служат и для получения поляризованного света. Анализатором служит прибор, носящий название призмы Николя или просто николя. Он состоит из длинного кристалла  abcd (рис. 1) исландского шпата, разрезанного наклонно по плоскости gf на две части, склеенные затем канадским бальзамом. Если естественная световая волна S падает на одну из коротких граней николя под углом не более 33 ⁰ , то она всегда разделяется в кристалле на обыкновенную   S ₀  и необыкновенную S _e волны, причем необыкновенная волна проходит через весь кристалл , тогда как обыкновенная, достигая канадского бальзама, претерпевает полное внутреннее отражение (показатель преломления канадского бальзама меньше показателя преломления исландского шпата для обыкновенной волны, но больше показателя преломления для необыкновенной волны). Таким образом, николь пропускает только необыкновенную волну, колебания которой совершаются в плоскости главного сечения.

                                                 S         a

                                          d

                                        g

                                                                  f

                                                                   b    S₀   

                                           c

                                                      S_e  

Рис.1. Призма Николя.

В натуральном ромбоэдре исландского шпата приходится иметь дело с обеими волнами сразу; оба световых пучка имеют одинаковую яркость, если они произошли от естественного света; но если на кристалл падает свет, уже поляризованный, яркости обоих будут различны. Если пучок естественного света падает на грань кристалла нормально, то обыкновенная волна проходит через него без отклонения, а необыкновенная отклоняется в сторону и по выходе из кристалла идет параллельно обыкновенной волне. Поэтому, если вращать ромбоэдр вокруг направления пучка падающего света, вышедший из кристалла пучок обыкновенного света будет оставаться неподвижным, а пучок необыкновенного света будет вращаться вокруг него, что дает возможность отличать их друг от друга. Если на анализатор падает свет, плоскость световых колебаний в котором составляет угол a с главной плоскостью анализатора, то интенсивность пропущенного анализатором света будет

I = I₀ cos² a

где  I₀ есть интенсивность падающего светового пучка. Если обе плоскости взаимно перпендикулярны, то будет полное затемнение поля.

Описание прибора

На горизонтальном основании укреплены две вертикальные стойки, короткая и длинная, между которыми зажимается пластина из черного стекла P  (рис.2), вращающаяся вокруг горизонтальной оси. Пластинка представляет собой поляризатор, так как рассеянный свет от осветителя, падающий от нее сбоку, после отражения становится линейно поляризованным. Поляризованный свет, полученный при отражении, направляется вертикально вверх к столику Т. Столик снабжен кругом, разделенным на градусы и вращающимся в своей плоскости, причем углы поворота отсчитываются при помощи неподвижного указателя. В круглый вырез столика помещается или стеклянная пластинка с начерченным на ней крестом, или металлическая диафрагма с круглым отверстием; таких диафрагм имеется две с отверстиями различных диаметров. На столик кладут кристаллические пластинки, подлежащие изучению.

                                              А

                                              Q

                                              T

                                                  P