Естественный свет частично поляризованный свет

полностью поляризованный свет

Рисунок.3. Изображение естественного и различных видов поляризованного света (соотношения ↨ и ∙ указывает на степень поляризации света)

Способы получения поляризованного света

1. Поляризация при отражении и преломлении света

Отраженный от диэлектрика свет всегда частично поляризован. Степень поляризации отраженного луча зависит от показателя преломления диэлектрика nи от угла паденияi (рис.4). Полная поляризация отраженного света достигается при падении под углом Брюстера, который определяется соотношением:

tg i = n.

Рисунок 4. Поляризация при отражении и преломлении света

Проходящий через диэлектрик свет также частично поляризован. Максимальная (но не полная) поляризация проходящего света достигается при падении под углом Брюстера. Для увеличения степени поляризации преломленного света используют стопу стеклянных пластинок, расположенных под углом Брюстера к падающему свету (рис.5).

Рисунок 5. Получение поляризованного света при прохождении естественного света через стопу стеклянных пластин

2. Поляризация при двойном лучепреломлении

Явление двойного лучепреломления наблюдается в анизотропных средах (среды, в которых скорость распространения света или показатель преломления неодинаковы в различных направлениях). Анизотропной средой будут, например, кристаллы кварца и исландского шпата.

Естественный луч разделяется в кристалле на два луча, обыкновенный - оинеобыкновенный - е, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.4). Обыкновенный и необыкновенный лучи имеют в кристалле различные скорости распространения.

e

o

Рисунок 6. Поляризация при двойном лучепреломлении

Двоякопреломляющие кристаллы непосредственно не используются как поляризаторы, так как пучки обыкновенных и необыкновенных лучей мало разведены друг от друга. Однако, из этих кристаллов изготавливают специальные поляризованные призмы (призма Николя). Для ее изготовления кристалл исландского шпата распиливают определенным образом по диагонали, а потом склеивают канадским бальзамом (рис.7). Для обыкновенного луча бальзам является средой оптически менее плотной, а для необыкновенного луча - более плотной, чем исландский шпат. Поэтому обыкновенный луч о(рис.7), падающий на слой бальзама под углом большим предельного, претерпевает полное отражение, а необыкновенный луче (рис.7) при любых углах падения проходит через этот слой.

Рисунок 7. Поляризация света в призме Николя

Если естественный луч падает на грань призмы Николя параллельно основанию АВ(рис.7), то необыкновенный луч проходит через призму, почти не отклоняясь от первоначального направления, а обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение от слоя бальзама, поглощается зачерненной поверхностью основанияАВ.

Таким образом, сквозь призму Николя проходит только один необыкновенный, полностью поляризованный луч.

3. Поляризация при прохождении света через поглощающие анизотропные вещества - поляроиды

У некоторых двояко преломляющих кристаллов (турмалин, герапатит и др.) коэффициенты поглощения света для двух взаимно перпендикулярных поляризованных лучей сильно отличаются. При небольшой толщине кристалла выходит поляризованный свет. Это явление называется анизотропией поглощения, или дихроизмом. Так же действуют поляроиды - прозрачные пленки, содержащие определенным образом ориентированные мелкие кристаллы поляризующего свет дихроичного вещества, например, герапатит (сернокислый йод-хинин). Такая пленка пропускает только необыкновенные лучи и поглощает обыкновенные.

Стеклянные (диэлектрические) пластинки, призма Николя, поляроиды служат для получения поляризованного света и называются поляризаторами. Всякий поляризатор может быть также использован для исследования поляризованного света. Его называютанализатором(см. рис.8а).

Рисунок 8а. Исследование поляризованного света при помощи анализатора

Рисунок 8б. К закону Малюса

Если плоскости пропускания поляризатора ООи анализатораО₁О₁(плоскости измененияЕпроходящего через них поляризованного света) параллельны, то свет, прошедший через поляризатор, будет проходить через анализатор не ослабляясь. В общем случае, когда плоскости пропускания ОО иО₁О₁составляют между собой некоторый уголα, поляризованный свет будет частично проходить через анализатор. АмплитудаЕ_а световых колебаний, прошедших через анализатор (2), будет меньше амплитудыЕ_псветовых колебаний, идущих от поляризатора (1) (рис.8б). Из рис. 8б видно:

Е_а=Е_пcosα

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световых колебаний, то:

I_a=I_пcos²α - закон Малюса,

где I_a - интенсивность света, прошедшего через анализатор;I_п - интенсивность света, прошедшего через поляризатор. Потери интенсивности света на отражение и поглощение в анализаторе не учитываются.

Используя закон Малюса, можно показать, что интенсивность света, прошедшего через поляризатор I_правна (1/2)I_о, гдеI_о- интенсивность падающего на поляризатор естественного света.

Некоторые вещества, называемые оптически активными, поворачивают (вращают) плоскость электрических колебаний поляризованного света, проходящего через них, не изменяя при этом амплитуды колебаний (рис.9). Это явление называется вращением плоскости колебаний поляризованного света и обусловлено особенностями структуры активных веществ (асимметричным строением молекул, не имеющих ни центра симметрии, ни плоскости симметрии).

Плоскость поляризации вращают многие природные вещества: раствор сахара, углеводы, эфирные масла, гормоны, белки и входящие в их состав аминокислоты и т.п.

Рисунок 9. Вращение плоскости поляризации оптически активными веществами

Вещества, поворачивающие плоскость колебаний по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу), называются правовращающими, а вещества, поворачивающие эту плоскость в противоположном направлении левовращающими.

Если поляризованный свет пройдет через оптически активное вещество расстояние l(рис.9), то плоскость колебаний повернется на уголφ, равный:

где - коэффициент, характеризующий вещество.

Для растворов угол вращения пропорционален еще и концентрации раствора - С:

(1)

где - удельное вращение, характеризующее растворенное вещество (зависит от длины волны проходящего света, а также температуры раствора). Это увеличенный в 100 раз угол вращения столба раствора длиной 1дм при концентрации 1г вещества в 100мл раствора.

На вращение плоскости колебаний поляризованного света основан простой и весьма точный метод определения концентрации растворов оптически активных веществ.