Естественный и поляризованный свет.Закон Малюса

Следствием теории Максвелла является поперечность световых волн: векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости v распространения волны (перпендикулярно лучу). Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора — вектора напряженности Е электрического поля (это название обусловлено тем, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества).

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равнове­роятными колебаниями светового вектора (рис. 272, а; луч перпендикулярен плоскости рисунка). В данном случае равномерное распределение векторов Е объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов Е — одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (и, следовательно, Н) называется естественным.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное!) направление коле­баний вектора Е (рис. 272, б),то имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор Е (и, следовательно, Н) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 272, в), называется плоско поляризованным (линейно поляризованным).

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоско поляризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоско­стью поляризации. Плоско поляризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света — света, для которого вектор Е (вектор Н) изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпен­дикулярной лучу. Если эллипс поляризации вырождается в прямую (при разности фаз j, равной нулю или p), то имеем дело с рассмотренным выше плоско поляризованным светом, если в окружность (при j = ± p /2 и равенстве амплитуд складываемых волн), то имеем дело с циркулярно поляризованным (поляризованным по кругу) светом. Степенью поляризации называется величина

где I_max, и I_min — соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором. Для естественного света I_max = I_min и Р= 0, для плоско поляризованного I_min =0 и Р= 1.

Естественный свет можно преобразовать в плоско поляризованный, используя так называемые поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направле­ния (например, пропускающие колебания, параллельные главной плоскости поляриза­тора, и полностью задерживающие колебания, перпендикулярные этой плоскости). В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в отношении колебаний вектора Е, например кристаллы (их анизотропия известна). Из природных кристаллов, давно используемых в качестве поляризатора, следует отметить турмалин.

Рассмотрим классические опыты с турмалином (рис. 273). Направим естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина T ₁, вырезанной параллельно так называемой оптической оси ОО'. Вращая кристалл T ₁ вокруг направления луча, никаких изменений интенсивности прошедшего через турмалин света не наблюдаем. Если на пути луча поставить вторую пластинку турмалина T ₂ и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла к между оптическими осями кристаллов по закону Малюса*: (190.1).где I ₀ и I — соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него.

* Э. Малюс (1775—1812) — французский физик.

Следовательно, интенсивность прошедшего через пластинки света изменится от минимума (полное гашение света) при a=p /2 (оптические оси пластинок перпендикулярны) да максимума при a =0 (оптические оси пластинок парал­лельны). Однако, как это следует из рис. 274, амплитуда Е световых колебаний, прошедших через пластинку Т ₂, будет меньше амплитуды световых колебаний Е ₀, падающих на пластинку Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды, то и получается выражение (190.1).Результаты опытов с кристаллами турмалина объясняются довольно просто, если исходить из изложенных выше условий пропускания света поляризатором. Первая пластинка турмалина пропускает колебания только определенного направления (на рис. 273 это направление показано стрелкой AВ), т. е. преобразует естественный свет в плоско поляризованный. Вторая же пластинка турмалина в зависимости от ее ориен­тации из поляризованного света пропускает большую или меньшую его часть, которая соответствует компоненту Е, параллельному оси второго турмалина. На рис. 273 обе пластинки расположены так, что направления пропускаемых ими колебаний АВ и А'В' перпендикулярны друг другу. В данном случае Т ₁ пропускает колебания, направленные по АВ, а Т ₂ их полностью гасит, т.е. за вторую пластинку турмалина свет не проходит. Пластинка Т ₁, преобразующая естественный свет в плоско поляризованный, является поляризатором. Пластинка Т ₂, служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором. Обе пластинки совершенно одинаковы (их можно поменять местами).Если пропустить естественный свет через два поляризатора, главные плоскости которых образуют угол a, то из первого выйдет плоско поляризованный свет, интенсив­ность которого I ₀ = ¹/₂ I _ест, из второго, согласно (190.1), выйдет свет интенсивностью I=I ₀cos² a. Следовательно, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора, откуда I ₀ = ¹/₂ I _ест (поляризаторы параллельны) и I _min = 0 (поляризаторы скрещены).

27 билет. Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется в распространяется во второй среде. Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например, турмалин), убеждаемся в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усаливается и ослабевает. Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления. Шотландский физик Д. Брюстер (1781—1868) установил закон, согласно которому при угле падения iB (угол Брюстера), определяемого соотношением . отраженный луч является плоскополяризованным. Преломленный же луч при угле падения iB поляризуется максимально, но не полностью.

28.Двойное лучепреломление.Поляризационные призмы и поляроиды. Все неорганические кристаллы(за исключением кристаллов кубической системы оптических и анизотропных),т.е. по различным направлениям получают лучепреломление по-разному.Наиболее типичный пример:кристалл исландского шпата*(одна из модификаций СаСОз)Двойное лучепреломление кристалла наблюдается не во всех направлениях,а в определённых направлениях,которые получили название оптической оси кристалла-двойного лучепреломления не происходит.Кристаллы могут иметь1-одноосные,2-двуосные оптические среды.При двойном лучепреломлении падающий луч разделяется на 2луча(и при нормальном(перпендикулярном)падении)1-ый луч-обыкновенны(О)2луч-необыкновенный(L).

При нормальном падении О-луч-продолжение падающего луча,необыкновенный луч-не подчиняется закону преломления,он не лежит в плоскости падающего луча и перпендикуляра.Для него относительный показатель преломления является переменной величиной и зависит от угла наклона падения.При нормальном падающем луче L-луч выходит из кристалла параллельно падающему лучу с некоторым отклонением.Исследования анализатором показали,что оба луча являются полноскополяризованными.При прохождении луча через2-осный кристалл оба луча будут необыкновенными.Понятие 2-го лучепреломления справедливо только для лучей внутри кристалла. Наиболее часто поляризованы свет получаю с помощью призм поляроидов. Поляроиды - это поляризаторы,имеющие большую площадь и малую толщину.Эти поляризаторы обладают сильно выраженным дихраизмом. Поляризационные призмы (призма Николя)

Призма Николя представляет собой2-ую призму из исландского шпата,вырезанных определённым образом и склеенную канадским бальзамом. Призмы вытачиваются так, чтобы торец был скошен под углом 68° относительно направления проходящего света, а склеиваемые стороны составляли прямой угол с торцами. При этом оптическая ось кристалла (AB) находится под углом 64° с направлением света. Призма Николя находит своё применение наряду с прочими поляризационными устройствами в различных областях науки и техники, хотя подавляющей частью они ныне заменены на более технологичные.До появления дешёвых поляроидных плёнок призма Николя использовалась для просмотра стереофотографий, проецируемых на экран.