Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков

Один из способов получения поляризованного света состоит в использовании явления отражения и преломления света на поверхности диэлектрика. Пусть на черное зеркало (в этом зеркале устранено отражение от второй поверхности) падает естественный свет (рис.22.5). Световые колебания, как и любое колебание, происходящее в одной плоскости, можно разложить по правилу параллелограмма на два колебания, происходящие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Следовательно, естественный луч света можно представить как луч, в котором колебания происходят в двух взаимно перпендикулярных направлениях, например в плоскости чертежа, которую считаем совпадающей с плоскостью падения (условно отмечаются черточками) и с плоскостью перпендикулярной (отмечаются точками). Эти два вида колебаний по-разному отражают от зеркала из диэлектрика.

Если угол α падения света на границу раздела двух диэлектриков с показателями преломления n₁ и n₂ не равен нулю, то отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными (рис.).

Частично поляризованный свет характеризуется тем, что в нем имеется преимущественное направление колебаний электрического вектора, поэтому частично поляризованный свет можно рассматривать как смесь линейно поляризованного и естественного света.

В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, в преломленном луче — колебания, параллельные плоскости падения. Степень поляризации зависит от угла падения α. При угле падения, удовлетворяющем условию

tg α_полн = n₂₁, (22.2)

[n₂₁— показатель преломления второй среды относительно первой], отраженный луч полностью поляризован, а преломленный луч поляризован только частично.

Соотношение (22.2) названо законом Брюстера. Угол α_полн называют углом Брюстера или углом полной поляризации.

При падении луча на диэлектрик под углом полной поляризации луч, отраженный под этим углом, и луч преломленный взаимно перпендикулярны.

 

Двойное лучепреломление

Почти все прозрачные диэлектрики оптически анизотропны, то есть свойства света при прохождении через них зависят от направления. Физическая природа анизотропии связана с особенностями строения молекул диэлектрика или особенностями кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы или ионы.

Вследствие анизотропии кристаллов при прохождении через них света возникает явление, называемое двойным лучепреломлением (рис.22.6). Оно заключается в том, что свет, падающий на кристалл, преломляясь, создает не один преломленный луч, как в изотропных средах, а два, идущие в общем случае в различных направлениях и с разными скоростями.

Рассмотрим одноосный кристалл (рис.22.7). К одноосным кристаллам относятся исландский шпат (разновидность уг­лекислого кальция СаСО₂ - кристалл гексагональной системы), кварц.

В одноосных кристаллах существует одно выделенное направление, вдоль которого световой луч распространяется не разделяясь пространственно и с одинаковой скоростью. Направление, в котором не наблюдается двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла. Следует иметь в виду, что оптическая ось – это не прямая линия, проходящая через какую-то точку кристалла, а определенное направление в кристалле. Любая прямая, параллельная данному направлению, является оптической осью.

Любая плоскость, проходящая через оптическую ось кристалла, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла. Обычно пользуются главным сечением, проходящим через световой луч в кристалле.

У одноосных кристаллов один из преломленных пучков подчиняется обычному закону преломления. Его называют обыкновенным. Другой пучок называется необыкновенным, он не подчиняется обычному закону преломления. Даже при нормальном падении светового пучка на поверхность кристалла необыкновенный луч может отклоняться от нормали. Как правило, необыкновенный луч не лежит в плоскости падения. Если через такой кристалл посмотреть на окружающие предметы, то каждый предмет будет раздваиваться. При вращении кристалла вокруг направления падающего луча обыкновенный луч остается неподвижным, а необыкновенный будет двигаться вокруг него по окружности.

Если на кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделённых луча, параллельных друг другу и падающему лучу. Один из них называется обыкновенным (о) и является продолжением первичного, а второй – необыкновенным (е) отклоняется.

Исследование обыкновенного и необыкновенного лучей показывает, что оба луча полностью плоскополяризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Колебания вектора напряженности электрического поля в обыкновенной волне совершаются в направлении, перпендикулярном главному сечению кристалла для обыкновенного луча. В необыкновенной волне колебания вектора напряженности совершаются в плоскости, совпадающей с главным сечением для необыкновенного луча.

На рис. 5 показаны направления колебаний вектора напряженности в обоих лучах. Предполагается, что оба луча и пересекающая их оптическая ось ОО^/ лежат в плоскости рисунка. Из рисунка видно, что в данном случае плоскости колебаний обыкновенного и необыкновенного лучей взаимно перпендикулярны. Отметим, что это наблюдается практически при любой ориентации оптической оси, поскольку угол между обыкновенным и необыкновенным лучами очень мал.

На выходе из кристалла оба луча отличаются друг от друга только направлением поляризации, так что названия «обыкновенный» и «необыкновенный» имеют смысл только внутри кристалла.

Призма Николя

Устройства, служащие для получения поляризованного света, называют поляризационными призмами. Поляризационная призма может служить и анализатором. Поляризационную призму Николя часто называют просто николь. Он представляет собой кристалл исландского шпата, имеющий форму параллелепипеда (рис. 22.8, а). Кристалл разрезается наклонно по плоскости ВЕОР на две части, а затем склеивается канадским бальзамом. Показатель преломления канадского бальзама 1,549. Показатель преломления исландского шпата для обыкновенных лучей равен n₀ ⁼ 1,658. Для необыкновенных лучей показатель преломления исландского шпата различен для различных направлений; для лучей, идущих параллельно длинным ребрам призмы, он равен n _е = 1,515.

Пусть естественный луч падает на нижнюю грань призмы (рис. 22.8, б) в плоскости главного сечения (плоскости чертежа) под таким углом, что преломленные лучи, раздвоившись, идут почти параллельно продольным ребрам. Необыкновенный луч (е), дойдя до слоя канадского бальзама, вступает в него как в тело более преломляющее и продолжает путь, не отклоняясь, так как слой канадского бальзама очень тонок. Обыкновенный же луч (о) встречает слой бальзама как среду менее преломляющую, и так как угол падения его больше предельного угла, то этот луч испытывает полное отражение и поглощается зачерненной гранью призмы. Из призмы выходит один только необыкновенный луч, колебания в котором параллельны главному сечению. Направление колебаний показано на рис. 22.8, б.

 

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: