Поляризация света

Световые волны по своей природе являются электромагнитными волнами. В любой точке пространства, в которой наблюдаются электромагнитные волны, происходят непрерывные колебания векторов электрической и магнитной напряженностей согласно уравнениям:

E = Emcos (t – x/c)

H = Hmcos (t – x/c),

где Е и Н – электрическая и магнитная напряженности в точке, находящейся на расстоянии х от источника, измеренные в момент времени t, с – скорость световой волны,  – круговая частота.

В одной точке пространства в любое мгновение вектор Е перпендикулярен вектору Н и оба они перпендикулярны вектору скорости.

В естественной световой волне, в разных точках пространства векторы Е и Н совершают колебания во всевозможных направлениях, оставаясь все время перпендикулярными к направлению распространения волны и к друг другу.

Световая волна является плоскополяризованной, если во всех точках колебания электрического вектора совершаются в одной плоскости (рис. 2).

Рис. 2. Плоскополяризованная волна в определенный момент времени

Эта плоскость называется плоскостью колебаний. Следовательно, в плоскости колебаний лежат векторы электрической напряженности всех точек волны и вектор скорости распространения света. Плоскость колебаний перпендикулярна плоскости поляризации, в которой происходят колебания вектора магнитной напряженности Н. Эти две плоскости пересекаются по линии совпадающей с вектором скорости.

Приборы, позволяющие из естественного света получить поляризованный, называют поляризаторами. Принцип их действия основан на явлении поляризации света при отражении или преломлении на границе двух диэлектриков, дихроизме и двойном лучепреломлении.

Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков

Свет, отраженный от поверхности раздела двух диэлектриков (воздух, стекло) поляризуется в плоскости падения. Степень поляризации для данных двух сред зависит от угла падения. Отраженный луч света будет полностью поляризован, причем угол между преломленным и отраженным лучами равен 90 (рис. 3), если выполняется следующее соотношение, являющееся законом Брюстера:

Рис. 3. Отражение света

при выполнении закона Брюстера

tg i_Б = n₂₁,

где i_Б – угол падения, n₂₁ – относительный показатель преломления двух сред (n₂₁ = n₂/n₁).

В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, а в преломленном – параллельные ей. Таким образом, граница раздела двух диэлектриков служит поляризатором. Пропуская свет последовательно через несколько пластинок диэлектрика, можно достичь значительной поляризации проходящего света.

Поляризация света при двойном лучепреломлении

Некоторые прозрачные кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления: при попадании света на кристалл луч раздваивается. Одним из таких кристаллов является кристалл исландского шпата, имеющий ромбическую структуру (рис. 4).

Рис. 4. Плоскость главного сечения

кристалла испанского шпата

Прямая АС, соединяющая вершины тупых углов кристалла, и всякая другая прямая, ей параллельная, определяет направление оптической оси кристалла. Плоскость, проходящая через нормаль к поверхности и через оптическую ось, называется плоскостью главного сечения (например: плоскость АBСD на рис. 4).

Если световой луч падает на кристалл в направлении главной оптической оси, то двойного лучепреломления не происходит. Во всех остальных случаях луч естественного света в кристалле испытывает двойное лучепреломление и из кристалла выходят два луча. Один луч называется обыкновенным, для него выполняются обычные законы преломления, другой – необыкновенный – для него эти законы не выполняются.

Оба эти луча являются плоскополяризованными. У обыкновенного луча колебания электрического вектора совершаются в плоскости, перпендикулярной главному сечению кристалла, показатель преломления является величиной постоянной. У необыкновенного луча колебания электрического вектора совершаются в плоскости главного сечения, для него показатель преломления не является постоянной величиной. Чтобы иметь дело не с двумя поляризованными лучами, а с одним – для одного из лучей создают условие полного внутреннего отражения и направляют его в сторону. Это например, осуществляется в призме Николя.

Известно, что предельный угол полного внутреннего отражения определяется из условия:

sin пр. = n2 / n1,

где n₂ / n₁ - относительный показатель преломления двух сред.

Для обыкновенного луча показатель преломления исландского шпата n₁ = 1,658, следовательно, вторая среда для выполнения условия полного внутреннего отражения должна иметь n₂ < n₁. Такой средой может быть канадский бальзам, в котором n₂ = 1,550.

Рис. 5. Ход лучей в призме Николя

На рис. 5 изображен ход лучей в призме Николя, состоящей из двух призм, изготовленных из исландского шпата, склеенных по диагональной плоскости слоем канадского бальзама (К). Обыкновенный луч (о) испытывает полное внутреннее отражение от слоя бальзама и поглощается зачерненной боковой поверхностью призмы. Из Николя-поляризатора выходит один поляризованный луч (е), у которого колебания электрической напряженности происходят в плоскости главного сечения кристалла шпата.