Поляризационные устройства

Для поляризации света на практике используются специальные поляризационные устройства. В состав поляризационных устройств, как правило, входят кристаллы с оптической анизотропией. В большинстве случаев для этого применяется исландский шпат, реже кварц, натронная селитра и слюда.

Рассмотрим поляризационное устройство, изобретенное в 1828г. шотландским физиком Николем (1768-1851). Это устройство получило название в честь своего изобретателя и известно как призма Николя.

Рис. 8.11.

Призма Николя изготавливается из кристалла исландского шпата. Исландский шпат, представляющий собой одну из разновидностей углекислого кальция (CaCO3), встречается в природе в виде больших прозрачных кусков. Сильно различающиеся показатели преломления у такого кристалла для обыкновенного луча и необыкновенного лучей приводит к ярко выраженному эффекту двойного преломления. Кристаллы исландского шпата относятся к гексогональной группе и являются одноосными. Кристалл с помощью скалывания вдоль кристаллических плоскостей легко привести к форме ромбоэдра (рис. 8.11), ограниченного шестью параллелограммами с углами при вершинах и . При шлифовке плоскостей кристалла таким образом, что все его рёбра приобретают одинаковую длину, оптической осью кристалла является любая прямая, параллельная отрезку , соединяющему вершины, где сходятся стороны трёх тупых углов.

Рис. 8.12.

Для изготовления призмы Николя (рис. 8.12) у кристалла исландского шпата в виде ромбоэдра, полученного как было указано выше, сошлифовывают основания так, чтобы рёбра составляли с основанием угол . Тогда направление оптической оси представляет собой любую прямую, параллельную отрезку .

После шлифования кристалл разрезают на две части в плоскости, перпендикулярной новым основаниям и главному сечению кристалла, и склеивают тонким слоем канадского бальзама, показатель преломления которого , имеет промежуточное значение между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного луча кристалла.

Световой луч с произвольным состоянием поляризации после преломления в кристалле (рис. 8.12) разделяется на два луча - обыкновенный и необыкновенный . Благодаря конструкции призмы Николя необыкновенный луч проходит беспрепятственно на границу двух склеенных частей кристалла, а обыкновенный луч испытывает полное внутренне отражение и попадает на зачернённую грань основания, испытывая поглощение в ней. В ряде случаев для недопущения нагрева кристалла обыкновенный луч может выводиться из кристалла с помощью призмы , указанной на рис 8.12.

Рис. 8.13.

Выходящий из призмы Николя световой луч окажется линейно поляризованным в главной плоскости кристалла, на что указывают стрелки направления колебаний электрического вектора необыкновенного луча.

В призме Фуко (рис. 8.13) две части распиленного кристалла разделены воздушным промежутком, благодаря которому эта призма может быть использована для поляризации ультрафиолетового излучения, которого невозможно получить в призме Николя, поскольку канадский бальзам поглощает ультрафиолет. Направление оптической оси в призме Фуко составляет с основанием угол и отмечено на рис. 8.13 двусторонней стрелкой.

Рис. 8.14.

К недостаткам призмы Николя и Фуко следует отнести вращение направления выходящего из них луча при вращении призмы. Этот недостаток преодолевается в специальных призмах, имеющих не скошенные основания, а в форме параллелепипеда. Такие поляризационные устройства известны, как призмы Глазебрука (рис. 8.14), Глана, Глана - Томсона, Гартнака - Празмовского, Франка - Ритера, а также представленная на рис. 8.15 тройная призма Аренса. Оптические оси кристаллов, используемых в приведенных на рис. 8.14 и рис. 8.15 соответственно призм Глазебрука и призм Аренса, параллельны плоскости основания призм и отмечены точками на этих рисунках. На рис. 8.14 луч неполяризованного света, попадая в кристалл , расщепляется на два луча, распространяющихся в одном направлении, но поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях, что и отмечено на рисунке на лучах точками и двусторонними стрелками. На границе двух кристаллов выполнено условие полного внутреннего отражения обыкновенного луча, в то время как необыкновенный луч проходит границу раздела не отклоняясь.

Рис. 8.15.

Интересно отметить, что к одним из параметров поляризационных важнейших призм относят апертуру полной поляризации призмы, представляющую собой разность предельных углов падения световых пучков на призму, при которых из призмы выходит только один необыкновенный луч. Среди перечисленных призм наибольшей апертурой полной поляризации, равной примерно , обладает призма Глазебрука, склеенная льняным маслом, а также призма Гартнака - Празмовского. Для сравнения призма Николя имеет апертуру полной поляризации, равную .

Рис. 8.16.

На практике получили распространение призмы, в которых на её выходе образуются два луча, разделённых в пространстве. Такие поляризационные устройства получили название двухлучевых поляризационных призм. Двухлучевые призмы, одна из возможных конструкций которых показана на рис. 8.16, изготавливаются из комбинации стеклянной призмы и призмы из исландского шпата. Показатель преломления стекла близок к показателю преломления необыкновенного луча в кристалле исландского шпата. Необыкновенный луч проходит комбинацию призм без преломления, а обыкновенный сильно отклоняется к основанию в результате двукратного отражения на её гранях. Оптическая ось кристалла, используемого в этой призме, параллельна плоскости основания призмы и отмечена точками на этих рисунках.

Поляризованный световой луч можно получить также при его прохождении через кристаллы, в которых поглощение проходящих через них электромагнитных волн зависит от направления колебаний вектора напряжённости электрического поля. Такими свойствами обладают дихроичные пластинки. Дихроизмом обладают такие вещества как турмалин, сульфат йодистого хинина. В турмалине обыкновенный луч поглощается сильнее необыкновенного. При прохождении обыкновенный лучом расстояния в 1мм он оказывается полностью поглощённым.

Замечательной особенностью поляризаторов на основе турмалина является зависимость поглощения в нём электромагнитных волн от их длины волны. При определённой толщине кристалла турмалина выходящий из него свет будет не только линейно поляризован, но и приобретёт преимущественно жёлто зелёный световой оттенок, поскольку остальные спектральные компоненты окажутся поглощёнными. Таким образом, поляризатор на основе турмалина одновременно будет представлять собой светофильтр.

Другим дихроичным кристаллом является кристалл сульфата йодистого хинина, в котором поглощение одного из лучей отмечается уже на расстояниях в 0.1мм.Кристаллы сульфата йодистого хинина применяются в поляризационных устройствах, получивших название поляроидов. Поляроид представляет собой целлулоидную плёнку, на поверхность которой наносится большое количество одинаково ориентированных кристаллов сульфата йодистого хинина.

В заключении отметим, что зависимость поглощения электромагнитных волн от поляризации проходящего через них электромагнитного излучения приводит к зависимости поглощения электромагнитных волн от их направления распространения. При этом меняется также и поглощение волн в кристалле в зависимости от длины волны. В результате этого наблюдается эффект изменения окраски кристалла в зависимости от направления распространения света в нём. Такое явление известно как плеохроизм (многоцветность). Плеохроизм присущ большей части двулучепреломляющих кристаллов.

Совокупность свойств электромагнитных волн, следующих из системы уравнений Максвелла, составляет основу классической электродинамики. В истории физики классическая электродинамика имела большое значение для открытия и объяснения, хотя и неполного, как выяснилось по мере развития квантовой физики, многих оптических явлений, среди которых можно указать явление Фарадея, Зеемана, Керра, Коттона - Муттона, молекулярного рассеяния света и др.

В значительной степени такому успешному приложению своих подходов классическая электродинамика обязана трудам Лорентца, который ввёл в максвелловскую электродинамику атомистические представления. Благодаря этому используемые в классической электродинамике электрофизические параметры среды, к которым можно отнести её относительные диэлектрические и магнитные проницаемости, а также удельную проводимость, оказалось возможным не только истолковать, но и рассчитать их значения. В конце X1X начале XX века классическая электродинамика, электромагнитная теория света считалась венцом достижений теоретической физики. Идея А. Эйнштейна, явившегося создателем специальной теории относительности, о постоянстве скорости светового импульса в различных системах координат привела к современному пониманию уравнений Максвелла по словам известного американского физика Дж. Орира " как необходимого релятивистского следствия закона Кулона (их можно вывести из этого закона) ".

Невозможность объяснить с позиций классической электродинамики спектральные характеристики излучения нагретых тел, явление фотоэффекта привело к рождению, квантовой физики, объясняющей физические явления, происходящие в масштабах атома.

Необходимо отметить, что логика развития физики как науки состоит в том, что её новые идеи не отменяют, достижения и законы, полученные ранее. Так случилось и с квантовой физикой, развитие которой привело не к отмене понятий классической физики и электродинамики, а наоборот обогатило людей знанием границ применимости методов классической физики.

Знание свойств электромагнитных волн и оптических явлений широко используется при дальнейшем изучении таких важных разделов физики как, основы квантовой теории атома и элементы физики твёрдого тела. Особенности спектра теплового излучения нагретых тел, квантовая механика, вероятностное описание движения микрочастиц с помощью волновых функций, дуализм света, волновые свойства микрочастиц, закономерности спектров веществ, находящихся в возбуждённом состоянии, зонная теория твёрдых тел, работа лазера - далеко не полный перечень вопросов, понимание которых возможно только в результате изучения электромагнитных волн и оптики.

В завершении нельзя не отметить исключительной роли классической электродинамики и оптики в развитии индустрии современных информационных технологий. Успехи радиоэлектроники, оптоэлектроники, сферы телекоммуникаций, кибернетики, наук о компьютерах в их практическом приложении в разнообразных сферах человеческой деятельности в наши дни и, безусловно, в будущем в ещё большей степени, является ярким свидетельством этого.

Литература, рекомендованная для углублённого изучения свойств электромагнитных волн и оптических явлений, рассмотренных в данном учебном пособии.

1. Д.В. Сивухин Общий курс физики, том III, Электричество, М., Наука, 1977.

2. Д.В. Сивухин Общий курс физики, том IV, Оптика, М., Наука, 1980.

3. И.В. Савельев Курс общей курс физики, том II, Электричество и магнетизм. Волны. Оптика, М., Наука, 1978.

4. Г.С. Горелик Колебания и волны, М.-Л., ГИТТЛ, 1950.

5. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс Фейнмановские лекции по физике, том 6, Электродинамика, М., Мир, 1966.

6. Дж. Орир Физика, том II, М., Мир, 1981.

7. М. Борн, Э. Вольф Основы оптики, М., Наука, 1971.

8. Г.С. Ландсберг Оптика, М, Наука, 1976.

9. А.Н. Матвеев Оптика, М., Высшая школа, 1985.

Дата добавления: 2015-07-18