Искусственная оптическая анизотропия

Двойное лучепреломление имеет место в естественных анизотропных средах (см. § 192). Существуют, однако, различ­ные способы получения искусственной оп­тической анизотропии, т. е. сообщения оп­тической анизотропии естественно изо­тропным веществам.

Оптически изотропные вещества ста­новятся оптически анизотропными под действием: 1) одностороннего сжатия или растяжения (кристаллы кубической систе­мы, стекла и др.); 2) электрического поля (эффект Керра; жидкости, аморфные те­ла, газы); 3) магнитного поля (жидкости, стекла, коллоиды). В перечисленных слу­чаях вещество приобретает свойства од­ноосного кристалла, оптическая ось кото­рого совпадает с направлением деформа­ции, электрического или магнитного полей соответственно указанным выше воздей­ствиям.

Мерой возникающей оптической ани­зотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкно­венного лучей в направлении, перпендику­лярном оптической оси:

n_o-n_e=k ₁ s

(в случае деформации);

n_o-n_e=k₂E² (195.1) (в случае электрического поля);

Вопрос

Закон Брюстера

Наиболее просто поляризационный свет можно получить из естественного света при отражении световой волны от границы раздела двух диэлектриков.

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлек­триков (например, воздух-стекло), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде.

Закон Брюстера:

При угле падения, равном углу Брюстера і_{Б р}: 1. отраженный от границы раздела двух диэлектриков луч будет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения; 2. степень поляризации преломленного луча достигает максимального значения меньшего единицы; 3. преломленный луч будет поляризован частично в плоскости падения; 4. угол между отраженным и преломленным лучами будет равен 90°; 4. тангенс угла Брюстера равен относительному показателю преломления

- закон Брюстера.

n₁₂ - показатель преломления второй среды относительно первой. Угол падения (отражения) - угол между падающим (отраженным) лучом и нормалью к поверхности. Плоскость падения - плоскость, проходящая через падающий луч и нормаль к поверхности.

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена многократным преломлением при условии падения света на границу раздела под углом Брюстера. Если для стекла (n = 1,53) степень поляризации преломленного луча составляет ≈15 %, то после преломления на 8-10 наложенных друг на друга стеклянных пластинках, вышедший свет будет практически полностью поляризован - стопа Столетова.

Поляризованный свет можно получить из естественного с помощью поляризаторов - анизотропных кристаллов, пропускающих свет только в одном направлении (исландский шпат, кварц, турмалин).

Поляризатор, анализирующий в какой плоскости поляризован свет, называется анализатором.

Если на анализатор падает плоско поляризованный свет амплитудой Е ₀ и интенсивности I ₀ (), плоскость поляризации которого составляет угол φ с плоскостью анализатора, то падающее электромагнитное колебание можно разложить на два колебания; с амплитудами и , параллельное и перпендикулярное плоскости анализатора.

Сквозь анализатор пройдет составляющая параллельная плоскости анализатора, то есть составляющая , а перпендикулярная составлявшая будет задержана анализатором. Тогда интенсивность прошедшего через анализатор света будет равна ():

- закон Малюса

Закон Малюса: Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, прямо пропорциональна произведению интенсивности падающего плоско поляризованного света I ₀и квадрату косинуса угла между плоскостью падающего света и плоскостью поляризатора.

Если на поляризатор падает естественный свет, то интенсивность вышедшего из поляризатора света I ₀ равна половине I _ест, и тогда из анализатора выйдет

47) Поляризация света при отражении и преломлении

Поляризованный свет можно получить, используя отражение или преломление света от диэлектрических изотропных сред (например, от стекла). Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков отличен от нуля, отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рис. 5.9 эти колебания обозначены точками), в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения (на рис. 5.9 они изображены двусторонними стрелками).

Степень поляризации того и другого луча зависит от угла падения луча. У каждой пары прозрачных сред существует такой угол падения, при котором отраженный свет становится полностью плоскополяризованным, а преломленный луч остается частично поляризованным, но степень его поляризации при этом угле максимальна (рис. 5.10). Этот угол называется углом Бpюстеpа. Угол Брюстера определяется из условия

,

где – относительный показатель преломления двух сред. Можно показать, что при падении волны под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны.

Таким образом, пластинка диэлектрика сортирует лучи естественного света, отражая преимущественно лучи с одним направлением колебаний и пропуская перпендикулярные колебания.

Рис. 5.11а

 

Рис. 5.11б

Закон Брюстера может быть использован для изготовления поляризатора. В этом случае используют не отраженный, а преломленный луч, хотя он и не полностью поляризован. Чтобы получить высокую степень поляризации преломленного луча, его пропускают через стопу стеклянных пластинок: после прохождения каждой следующей пластинки стопы степень поляризации преломленного луча увеличивается. При достаточно большом числе пластинок проходящий через эту систему свет будет практически полностью плоскополяризованным, а интенсивность прошедшего света в отсутствие поглощения будет равна половине интенсивности падающего на стопу естественного света.

Основными источниками поляризованного света в окружающей нас среде являются такие яркие горизонтальные поверхности как водная гладь, мокрый асфальт (рис. 5.11а), снег, лед (рис. 5.11б), стеклянные поверхности (рис. 5.11в). По характеру воздействия на глаз или фотоплёнку плоскополяризованный свет ничем не отличается от неполяризованного.

Рис. 5.11в

Этот свет создает оптические помехи, приводит к ухудшению видимости при рыбной ловле, вождении автомобиля.

Рис. 5.11г

Блики могут неожиданно возникнуть на дороге, заставая водителей врасплох, особенно на мокрой дороге весной или осенью, когда солнце находится низко над горизонтом (рис. 5.11г)

Анализ линейно поляризованного света

Линейно поляризованный свет можно получать из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами. Эти устройства свободно пропускают колебания, параллельные лишь одной плоскости, которая называется плоскостью поляризатора, и полностью задерживают колебания, перпендикулярные к этой плоскости.

Для уяснения сущности поляризации рассмотрим некоторую механическую аналогию. Пусть имеется источник S механических волн, шнур, к которому прикреплен колокольчик K, и две пластинки A и B.

Если плоскость колебаний шнура лежит между пластинками, то по звону колокольчика мы судим о наличии колебаний шнура за щелью. Во - втором случае колебания шнур гасятся. Щель А-В выполняет роль поляризатора - преобразователя неполяризованной волны в поляризованную.

Рассмотрим рис.30. Прибор, обнаруживающий линейную поляризацию света, называется анализатором. В принципе он ничем не отличается от поляризатора (см. рис.30).

Естественный свет после прохождения поляризатора P ₁ становится линейно поляризованным с амплитудой A ₀ и интенсивностью I ₀. После прохождения второго поляризатора P ₂(анализатора) амплитуда колебаний ( полностью задерживается). Так как интенсивности пропорциональны квадратам амплитуды, то

и ,

где k – коэффициент пропорциональности.

Иными словами

.

Выражение

называется законом Малюса.

В формуле (3.1): I – интенсивность линейно поляризованного света, прошедшего через анализатор; I ₀ – интенсивность линейно поляризованного света, падающего на анализатор; a – угол между направлением колебаний вектора в падающей волне и плоскостью поляризации анализатора (угол между плоскостями поляризаторов).

В естественном свете все значения a равновероятны. Так как , то средняя интенсивность I прошедшего через поляризатор естественного света равна

,

где I ₀ – интенсивность естественного света.

3.3. Поляризация света при отражении.
Закон Брюстера

Естественный свет при отражении от границы раздела двух диэлектриков поляризуется. Степень поляризации (отношение интенсивности поляризованной составляющей света к полной интенсивности света) и ее тип зависят от угла падения волн на поверхность и электрических свойств этой поверхности.

В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения (на рис. 6.31 и 6.32 они отмечены точками), в преломленном – колебания, параллельные плоскости падения (стрелки).

При угле падения i _Б, удовлетворяющем условию

,

где относительный показатель преломления второй среды относительно первой , отраженный луч 1 полностью линейно поляризован.

Угол i _Б называется углом Брюстера, или углом полной поляризации, а зависимость (3.3) – законом Брюстера.

Легко проверить, что при падении естественного света под углом Брюстера отраженный 1 и преломленный 2 лучи взаимно перпендикулярны. Поэтому .

Естественный свет поляризуется и при преломлении на границах двух диэлектриков. Так называемая стопа Столетова, состоящая из многих параллельных пластинок, на которые падает под углом Брюстера естественный свет, позволяет получить в результате многократных преломлений практически полностью линейно поляризованный свет в плоскости, параллельной плоскости падения.

3.4. Двойное лучепреломление. Поляроиды и
поляризационные призмы

При прохождении света через некоторые анизотропные кристаллы (исландский шпат, турмалин, кварц) наблюдается двойное лучепреломление, связанное с разделением световой волны на две волны (см. рис. 33).

Одна волна описывается обычным законом преломления света (преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим и нормалью к поверхности раздела). Эта волна и ее луч называются обыкновенными (0).

Другая волна и ее луч называются необыкновенными (е). Необыкновенный луч не лежит в плоскости падения и не подчиняется обычному закону преломления (при нормальном падении он испытывает преломление). Причиной двойного лучепреломления является анизотропия оптических свойств кристаллов. В анизотропных кристаллах имеется направление (оно называется оптической осью), вдоль которого обыкновенная и необыкновенная волны распространяются, не разделяясь, с одной и той же скоростью.

Обыкновенная и необыкновенная волны линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях: обыкновенная – в плоскости, перпендикулярной к оптической оси кристалла, необыкновенная – в плоскости, параллельной оптической оси.

Обыкновенный луч распространяется по всем направлениям с одинаковой скоростью, и, следовательно, показатель преломления n ₀ для него постоянен .

Необыкновенные лучи распространяются по различным направлениям с разными скоростями, зависящими от направления луча .

Двойное лучепреломление используется в специальных приспособлениях, называемых поляризационными призмами и поляроидами. Поляризационные призмы (например, призма Николя, называемая просто николем) сконструированы по принципу полного отражения одного из лучей (обыкновенного или необыкновенного) от границы раздела, в то время как другой луч с другим показателем преломления проходит через эту границу.

Двоякопреломляющие кристаллы обладают свойством дихроизма, т.е. различного поглощения света в зависимости от ориентации электрического вектора световой волны. Такие кристаллы называются дихроичными. К их числу относятся наиболее часто используемые в настоящее время поляроиды, представляющие собой тонкую целлулоидную пленку, в которую вкраплены кристаллики герапатита (сернокислого иод–хинина) – двоякопреломляющего вещества с очень сильно выраженным дихроизмом в области видимого света. Эти кристаллики пропускают почти 80 % света, поляризованного в одной плоскости, и менее 1 % света, поляризованного в перпендикулярной плоскости.

Поляроиды применяются для защиты от ослепляющего действия солнечных лучей и фар встречного автотранспорта.

 

Вопрос

 

 

 

 

 

⇐ Предыдущая123456

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: