- •Лекция 13.
- •Электромагнитные волны
- •14.7. Шкала электромагнитных волн. Классификация частотных интервалов, принятая в медицине
- •Интерференция и дифракция света. Голография
- •§ 19.1. Когерентные источники света. Условия для наибольшего усиления и ослабления волн
- •§ 19.2. Интерференция света в тонких пластинках (пленках). Просветление оптики
- •19.3. Интерферометры и их применение. Понятие об интерференционном микроскопе
- •19.4. Принцип Гюйгенса—Френеля
- •19.5. Дифракция на щели в параллельных лучах
- •19.6. Дифракционная решетка. Дифракционный спектр
- •19.7. Основы рентгеноструктурного анализа
- •19.8. Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине
- •Поляризация света
- •20.1. Свет естественный и поляризованный. Закон Малюса
- •20.2. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков
- •20.3. Поляризация света при двойном лучепреломлении
- •20.4. Вращение плоскости поляризации. Поляриметрия
- •20.5. Исследование биологических тканей в поляризованном свете
20.2. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков
При отражении от границы двух диэлектриков естественный свет частично поляризуется (рис. 20.4).
Рис. 20.4 Рис. 20.5
В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, а в преломленном — параллельные ей.
Если угол падения удовлетворяет условию
tg iБ = n21, (20.3)
то отраженный монохроматический луч полностью поляризован (рис. 20,5). Соотношение (20.3) выражает закон Брюстера. Здесь угол падения iБ — угол Брюстера, или угол полной поляризации, n21 = n2/n1 — относительный показатель преломления второй среды относительно первой.
Преломленный луч всегда частично поляризован, причем при падении под углом Брюстера степень его поляризации наибольшая. Используя (20.3) и закон преломления, нетрудно показать, что при полной поляризации отраженного света угол между преломленным и отраженным лучами равен 90°.
Таким образом, граница раздела двух диэлектриков или диэлектрика и вакуума служит поляризатором.
В качестве поляризатора используют также стопу стеклянных пластин. Независимо от угла падения степень поляризации преломленного луча возрастает по мере прохождения пластин, как это схематически показано на рис. 20.6.
20.3. Поляризация света при двойном лучепреломлении
Некоторые прозрачные кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления: при попадании света на кристалл луч раздваивается. Для одного из лучей выполняются обычные законы преломления, и поэтому этот луч называют обыкновенным, для другого — эти законы не выполняются и луч называют необыкновенным.
Д
Рис.
20.7
Направления, вдоль которых двойного лучепреломления нет и оба луча, обыкновенный и необыкновенный, распространяются с одной скоростью, называют оптическими осями кристалла (штриховая линия на рис. 20.7). Если такое направление одно, то кристаллы называют одноосными (они и рассматриваются в этом параграфе). К ним принадлежит исландский шпат (разновидность углекислого кальция СаСО3 — кристалл гексагональной системы), кварц, турмалин (сложный алюмосиликат, кристаллы тригональной системы) и др. Плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главной плоскостью кристалла. Колебания обыкновенного луча перпендикулярны главной плоскости, а необыкновенного — лежат в главной плоскости кристалла, т. е. эти лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.
Двойное лучепреломление обусловлено особенностями распространения электромагнитных волн в анизотропных средах: амплитуды вынужденных колебаний электронов зависят от направлений этих колебаний.
Ход обыкновенных и необыкновенных лучей в кристаллахможно наглядно представить с помощью волновых поверхностей. Предположим, что внутри кристалла произошла световая вспышка и во все стороны распространяются две волны: обыкновенная и необыкновенная. В некоторый момент времени их волновые поверхности займут положения, изображенные на рис. 20.8 (а — для положительных кристаллов, б — для отрицательных). Сферы соответствуют обыкновенным волнам, имеющим по всем направлениям одинаковую скорость 0; эллипсоиды — необыкновенным волнам, скорость е которых зависит от направления. Вдоль оптических осей ОО' скорость обыкновенной и необыкновенной волн одинакова и равна
0 = с/n0, (20.4)
где па — показатель преломления обыкновенного луча, зависящий от рода кристалла.
Для положительных кристаллов е 0, для отрицательных е 0. Наибольшее различие скоростей обыкновенная и необыкновенная волны имеют в направлениях, перпендикулярных оптической оси; для этих направлений вводят показатель преломления пе необыкновенного луча. У исландского шпата (отрицательный кристалл) п0 = 1,6584, пе = 1,4864; у кварца (положительный кристалл) п0 = 1,5442, пе = 1,5533 (данные приведены для желтой линии натрия = 589,3 нм).
Двоякопреломляющие кристаллы непосредственно не используются как поляризаторы, так как пучки обыкновенных и необыкновенных лучей слишком мало расходятся или даже перекрываются. Однако из этих кристаллов изготовляют специальные поляризационные призмы.
Рассмотрим наиболее распространенную призму, предложенную У. Никелем (призма Николя, или просто николь).
Н
Рис.
20.9
На ином принципе основаны поляризаторы, изготовляемые из турмалина, герапатита (сернокислый иод-хинин) и некоторых других кристаллов, которые наряду с двойным лучепреломлением могут поглощать один из лучей значительно сильнее, чем другой (дихроизм). Так, в пластинке турмалина толщиной около 1 мм обыкновенный луч практически полностью поглощается и вышедший свет плоскополяризован.
Из мелких кристалликов герапатита выкладывают значительные площади на целлулоидной пленке. Для их ориентации используют электрическое поле. Такие устройства (поляроиды) могут работать как поляризаторы (анализаторы).
Основным недостатком турмалина и поляроидов по сравнению с никелем являются их плохие спектральные характеристики. Белый свет после прохождения этих поляризационных устройств становится окрашенным, в то время как николь прозрачен в видимой части спектра.
Достоинство поляроидов — большая поверхность, что позволяет использовать широкие световые пучки.