Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
73.doc
Скачиваний:
11
Добавлен:
15.04.2015
Размер:
496.13 Кб
Скачать

55

Введение по теме 73. Поляризация света

Часть электромагнитного излучения, лежащая в диапазоне длин волн от 400 до 760 нм, воспринимается человеческим глазом и называется светом.

Световая волна характеризуется вектором напряженности электрического поля и вектором напряженности магнитного поля . Векторы и взаимно перпендикулярны, и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света (рис.1). Векторы и изменяются так, что одновременно проходят через максимумы и минимумы.

Поэтому для полного описания светового пучка требуется знание поведения лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор , так как в большинстве известных процессов взаимодействия света с веществом роль вектора является основной.

Рис.1

Свет с преимущественным направлением колебаний светового вектора называется поляризованным.

Всякая монохроматическая волна является поляризованной. Изменение напряженности электрического поля такой волны можно представить уравнением

(73.1)

В этой формуле:   циклическая частота,  начальная фаза колебаний, а модуль вектора 0 называется амплитудой.

Представим вектор световой волны в виде суммы двух составляющих векторов Eх и Ey , колебания которых происходят в плоскостях X Z и Y Z, соответственно:

(73.2)

(73.3)

Здесь и амплитуды, а  X и Y  начальные фазы колебаний.

Если из уравнений (73.2) и (73.3) исключить выражение  (tZ/V), нетрудно получить:

(73.4)

где  = X  Y - разность фаз колебаний.

Формула (73.4) совместно с (73.1) являются математическим выражением формы кривой (рис.2) описываемой концом вектора . Видно, что эта кривая является спиралью, перемещающейся в пространстве со скоростью в направлении луча света.

Проведем плоскость перпендикулярно к лучу (рис.2.) и проанализируем форму кривой проекции конца вектора на эту плоскость.

Видно, что при сложении колебаний с одной и той же частотой, но с разными фазами, конец проекции результирующего вектора в общем случае описывает эллипс (рис.3). Такой свет называется эллиптически поляризованным.

Если 0 <  < , то конец проекции вектора описывает эллипс по часовой стрелке. Если  <  < 2  против часовой стрелки. В частном случае, когда амплитуды составляющих колебаний равны (Е0X =Е0Y) и  = /2 или  = 3/2,

Рис.2

эллипс превращается в окружность. Такой свет называется право- или лево- циркулярно поляризованным в зависимости от направления вращения вектора .

Перечисленные типы поляризаций представлены на рис.3. Из этого же рисунка видно, что эллипс вырождается в отрезок при  = X  Y = 0 или . Такое колебание схематически изображено на рис.1, из которого видно, что вектор колеблется в одной плоскости. Такой свет называется плоско поляризованным. Но чаще его называют линейно поляризованным, т.к. проекция колебаний на плоскость X,Y имеет вид отрезка прямой (рис.3).

Рис.3.

Рис.3

Если свет не является идеально монохроматическим, то разность фаз X- и Y-колебаний не будет постоянной, и электрический вектор будет колебаться произвольным образом, т.е. поляризация света будет все время меняться.

Атом излучает свет отдельными порциями. Время такого излучения примерно равно 10-8 секунды. Все атомы излучают свет с разной поляризацией. Поэтому поляризация полного пучка света будет меняться в среднем через каждые 10-8 секунды.

Когда поляризация света изменяется так быстро, что ее невозможно измерить, говорят о неполяризованном свете. Такой свет принято называть естественным светом.

Если можно выделить направления с максимальным и минимальным средними значениями проекций вектора , то говорят о частично поляризованном свете.

Рассмотрим способы получения линейно поляризованного света. Методы экспериментального превращения естественного света в поляризованный и изменения типа поляризации могут быть основаны на некоторых оптических явлениях. Наиболее известны отражение и преломление на границе изотропных диэлектриков, дихроизм (зависимость поглощения света от его поляризации), рассеяние света, двойное лучепреломление.

Широкое распространение получили поляризационные призмы.

Обычно они состоят из двух или более частей, вырезанных из оптически анизотропных кристаллов.

В общем случае при прохождении света через кристаллическую среду распространяются две волны, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях и с разными скоростями. Разные скорости распространения, и следовательно, разные показатели преломления, приводят к тому, что при прохождении через анизотропные кристаллы световой луч разбивается на два луча. Это явление получило название двойного лучепреломления.

Для одного из этих лучей отношение синусов углов падения и преломления sini1/sini2 остается постоянным при изменении угла падения. При этом падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с нормалью, восстановленной к поверхности в точке падения. Этот луч называется обыкновенным лучом.

Второй луч называется необыкновенным. Для него sini1/sini2 зависит от угла падения. Как правило, необыкновенный луч не лежит в плоскости падения. Оба луча, обыкновенный и необыкновенный, полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Меняя направление падающего луча, можно убедиться, что внутри кристалла существуют направления, вдоль которых луч распространяется, не разбиваясь на два. Прямая, параллельная этому направлению и проходящая через любую точку кристалла, называется оптической осью кристалла. Существуют одноосные и двуосные кристаллы.

Явление двойного лучепреломления используется при изготовлении поляризационных призм.

Первую конструкцию поляризационной призмы (рис.4) предложил в 1828 году шотландский физик Уильям Николь.

Рис.4

При изготовлении призмы Николя используется исландский шпат (СаСО3)  естественный кристалл. Кристалл разрезается под строго определенным углом (рис.4) и склеивается специальным клеем  канадским бальзамом. Дело в том, что показатель преломления канадского бальзама n = 1,55 имеет промежуточное значение между показателями преломления обыкновенного (n0 = 1,658) и необыкновенного (ne = 1,486) лучей в призме.

При определенных углах падения обыкновенный луч претерпевает полное внутреннее отражение от слоя канадского бальзама и поглощается зачерненной боковой поверхностью призмы. Необыкновенный луч проходит сквозь призму. Таким образом, из призмы выходит линейно поляризованный свет (рис.4).

Недостатком призмы Николя является то, что входная грань не перпендикулярна к падающему пучку. Это приводит к смещению выходного пучка, что затрудняет исследования при вращении призмы. Поэтому в современных приборах используются другие призмы (Томпсона, Франка-Риттера, Аренса и др.), отличающиеся от призмы Николя ориентацией оптической оси относительно самой призмы, веществом, заполняющим зазор, а также перпендикулярной ориентацией входной грани относительно направления падающего светового луча.

К настоящему времени слова "николь" и "поляризационная призма" фактически превратились в синонимы.