Поляризация света при отражении

При пропускании естественного света че­рез две пластины, плоскости которых образуют угол a, то из первой выйдет плоскополяризованный свет интенсив­ностью , из второй, со­гласно (4-2), интенсивно­стью .

Следовательно, интенсивность света, прошедшего через две пластинки,

,

Откуда

(пластинки па­раллельны) и

(пластинки скрещены).

4.2. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков

Если угол падения света на границу раздела двух ди­электриков не равен нулю, отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными[3]. В от­раженном луче преобладают колебания, перпендикуляр­ные к плоскости падения (на рис. 4-5 они обо­значены точками), в преломленном луче — колебания, параллельные плоскости падения (на рисунке они изо­бражены стрелками). Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления. Шотландский физик Д. Брюстер (1781-1868) в 1815 г. установил закон, согласно которому угол полной поляризации aB зависит от относительного показателя преломления отражающей среды

. (4-3)

. Следовательно ,

но = — закон отражения, поэтому .

Отраженный луч является плоскополяризованным (со­держит только колебания, перпендикуляр­ные плоскости падения), пре­ломленный луч пре­ломленный луч оказывается частично по­ляризованным. Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендику­лярны.

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена (многократным преломлением при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера). Если, на­пример, для стекла степень по­ляризации преломленного луча составляет »15 %, то после преломления на 8-10 наложенных друг на друга стеклянных пластинок вышедший из такой системы свет будет практически полностью поляри­зованным. Такой набор пластинок называется стопой Столетова.

4.3. Двойное лучепреломление. Призма Николя

Все прозрачные кристаллы (кроме кристаллов кубической системы, которые оптически изотропны) обладают способно­стью двойного лучепреломления, т. е. раз­двоения каждого падающего на них светового пучка. Это явление, в 1669 г. обнаружено датским ученым Э. Бартолином (1625—1698) для исландского шпата (разновидность каль­цита СаСОз).

Если на толстый кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу (рис. 4-6). 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 (рис.4-7). Второй из этих лучей получил название необыкно­венного (е), а первый — обыкновенно­го (о).

Анализ поляризации света показывает, что вышедшие из кристалла лучи плоско поляризованы во взаимно перпенди-кулярных плоскостях: колебания светового вектора (вектора на­пряженности электрического поля) в обыкновенном луче происходят перпен­дикулярно главной плоскости, в необыкно­венном — в главной плоскости.

Неодинаковое преломление обыкно­венного и необыкновенного лучей указы­вает на различие для них показателей преломления. При любом направлении обыкновенного луча колеба­ния светового вектора перпендикулярны оптической оси кристалла, поэтому обык­новенный луч распространяется по всем направлениям с одинаковой скоростью и, следовательно, показатель преломления n0 для него есть величина постоянная. Для необыкновенного луча угол между на­правлением

колебаний светового вектора и оптической осью отличен от прямого и зависит от направления луча, поэтому необыкновенные лучи распространяются по различным направлениям с разными скоростями. Следовательно, показатель преломления ne необыкновенного луча яв­ляется переменной величиной, зависящей от направления луча. Таким образом, обыкновенный луч подчиняется закону преломления (отсюда и название «обыкно­венный»), а для необыкновенного луча этот закон не выполняется. После выхода из кристалла эти два луча ничем друг от друга не отличаются, если не принимать во внима­ние поляризацию во взаимно перпендику­лярных плоскостях.

В основе работы поляризационных при­способлений лежит явление двой­ного лучепреломления. Призмы делятся на два класса: 1) призмы, дающие только плоскополяризованный луч (поляризационные при­змы); 2) призмы, дающие два поляризован­ных во взаимно перпендикулярных плоско­стях луча (двоякопреломляющие при­змы).

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

является призма Николя[4], называемая часто николем.

Призма Николя (рис.4-8) представляет собой двойную призму из исландского шпата, склеенную канадским бальзамом с n =1,55. Оптическая ось призмы составляет с входной гранью угол 48°.

Показатель преломления исландского шпата для обык­новенного луча n0=1,66, а для необыкновенного ne=1,51. Для обыкновенного луча канадский бальзам является сре­дой оптически менее плотной, а для необыкновенного луча — более плотной, чем исландский шпат. Если естественный луч падает на торцовую грань призмы Николя параллельно основанию призмы АВ, то необыкновенный луч проходит через призму, почти не отклоняясь от первоначаль­ного направления, а обыкновенный луч, претерпев полное отражение от слоя канадского бальзама, поглощается зачерненной поверхностью основания АВ. Таким образом, сквозь призму Николя проходит толь­ко один поляризованный луч (необыкновенный) с электрическими ко­лебаниями в главной плоскости призмы.

4.4. Искусственная оптическая анизотропия

Двойное лучепреломление имеет место в естественных анизотропных средах. Существуют 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[5] (жидкости, аморфные те­ла, газы); 3) магнитного поля — эффект Коттона-Мутона (жидкости, стекла, коллоиды).

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

— (в случае механических деформа­циях тел);

— (в случае электрического поля);

— (в случае магнитного поля),

где k1, k2, k3 — постоянные, зависящие от температуры, длины волны света и природы вещества; Е и Н — соответственно напряженность электрического и магнит­ного полей; s — нормальное напряже­ние (сила, приходящаяся на единицу площа­ди).

Еще в начале прошлого столетия Т. Зеебек и Д. Брюстер обнаружили, что оптически изотропное твердое тело под влиянием механической деформации становится оптически анизотропным. Это свойство легло в основу ме­тода исследования напряжений на моделях.