§ 3.9. Рис. 3.12 Получение и применение поляризованного света

Можно считать, что луч естественного света состоит из двух лучей, линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях (см. рис. 3.13). При распространении света в веществе его электромагнитное поле действует на электрические заряды (электроны атомов), и при определенных условиях эти два луча могут быть разделены, в результате получим поляризованный свет. Рассмотрим такие примеры.

Поляризация при отражении от диэлектрика. Луч, падая на границу раздела двух сред, например, из воздуха на стекло, делится на два: отраженный и преломленный. Если луч падает под таким углом α_Б, что

tg α_Б = n₂₁=n₂/n₁ (3.7)

то луч, в котором колебания Е перпендикулярны плоскости рисунка, частично отразится, а частично преломится и перейдет в другую среду. Луч, в котором колебания Е параллельны плоскости рисунка, не отражается, а только преломляется. В результате отраженный луч будет поляризован полностью, а преломленный – частично. Формула (3.7) выражает закон Брюстера, угол α_Б называется углом Брюстера, n₂₁ - показатель преломления второй среды относительно первой, n₁ и n₂ – показатели преломления первой и второй среды соответственно. Рис. 3.15 иллюстрирует закон Брюстера. На этом рисунке один линейно поляризованный луч помечен точками (Е перпендикулярен плоскости рисунка), другой линейно поляризованный луч помечен черточками (Е параллелен плоскости рисунка). Падающий естественный свет помечен одинаковым количеством точек и черточек, отраженный – только точками, в преломленном черточек больше, чем точек. Если падающий луч поляризован в плоскости падения, то при падении под углом α_Б отраженного луча вообще не будет. Используя закон преломления и закон Брюстера, самостоятельно покажите, что между отраженным и преломленным лучами прямой угол. Интенсивность отраженного от прозрачных диэлектриков луча около 4% от интенсивности падающего. Чтобы ее увеличить, на практике используют стопу одинаковых положенных друг на друга пластин. Отраженные от их верхних поверхностей лучи складываются и заметно увеличивают интенсивность отраженного света.

Двойное преломление было обнаружено еще в XVII веке в кристаллах исландского шпата (CaCO₃) и наблюдается при прохождении естественного света через прозрачные кристаллы некубической симметрии. При падении на грань кристалла луча естественного света из кристалла выходят два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу (рис. 3.16). Даже при нормальном падении происходит деление луча естественного света на два,

один из которых является продолжением падающего, а другой отклоняется (рис. 3.17). Эти лучи линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях: луч, поляризованный перпендикулярно плоскости падения, называют обыкновенным, поляризованный в плоскости падения – необыкновенным. Показатели преломления кристалла n для этих лучей различны. Явление двойного лучепреломления объясняется анизотропией кристаллической решетки и непосредственно вытекает из уравнений Максвелла. Двупреломляющие кристаллы используют в поляризационных призмах – приборах для поляризации света.

Дихроизм – свойство некоторых кристаллов с двойным лучепреломлением по-разному поглощать свет с разной поляризацией. Например, в пластинке из турмалина толщиной 1 мм обыкновенный луч поглощается практически полностью, а необыкновенный выходит из нее, слегка уменьшив свою интенсивность из-за поглощения. У герапатита подобный эффект достигается для видимого света при толщине пленки ≈0,1 мм. Вкрапления кристалликов герапатита в прозрачную пленку из целлулоида превращают ее в поляризатор. Эти пленки называются поляроидами и применяются, например, для защиты глаз от яркого солнечного света или слепящего света фар встречных автомобилей.

Оптически изотропные вещества, например, оргстекло, становятся анизотропными под действием сжимающих или растягивающих механических напряжений. Это их свойство использует для анализа упругих напряжений в деталях и элементах различных технических сооружений и конструкций (мостов, балок и т.п.) методом фотоупругости. Изготовленную из прозрачного изотропного материала уменьшенную модель анализируемой детали помещают между двумя скрещенными поляризаторами и освещают ее естественным белым светом. Пока модель не деформирована, она не пропускает свет. Если ее подвергнуть деформации, то свет проходит через модель, причем, ее изображение будет испещрено цветными полосами, представляющими собой интерференционную картину. Каждая такая полоса соответствует одинаково деформированным областям. Если модель подвергнута нагрузкам, подобным нагрузкам в реальной детали, то интерференционная картина соответствует распределению напряжений в этой детали.

Искусственная анизотропия может создаваться в изотропных веществах электрическим полем. Например, кювета с нитробензолом (это жидкость), помещенная между скрещенными поляризаторами, образует непрозрачную для естественного света установку. Если с помощью конденсатора, пластины которого параллельны лучу падающего света, создать электрическое поле, то молекулы жидкости, поляризуясь, превращают ее в анизотропную среду, и свет проходит через установку. Время, за которое при включении поля среда из изотропной превращается в анизотропную (прозрачную для падающего света), или, наоборот, при выключении поля превращается из анизотропной в изотропную (непрозрачную), составляет 10^-10 с. Рассмотренное устройство используется как практически безинерционный фотозатвор.

Некоторые вещества, называемые оптически активными, имеют способность вращать плоскость поляризации линейно поляризованного вокруг луча, проходящего через такое вещество. Угол поворота зависит от вида вещества, толщины слоя, а для растворов еще и от концентрации. Такой способ определения, в частности, концентрации жидкости, используется на производстве, в науке, в медицине. С этим способом Вы встречаетесь при выполнении лабораторной работы № 53.

Р А З Д Е Л 2. К В А Н Т О В А Я Ф И З И К А