На границе двух диэлектриков. Закон Брюстера.

При падении естественного света на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Устанавливая на пути отраженного и ломленного лучей анализатор можно убедиться что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при вращении анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается и ослабевает (полного гашения не наблюдается!).

Рис.3

Исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рис.3 они обозначены точками), в преломленном - колебания, параллельные плоскости падения (изображены стрелками).

Степень поляризации (степень выделения световых волн с определенной ориентацией электрического либо магнитного вектора) зависит от угла падения лучей и показателя преломления.

Шотландский физик Д.Брюстер установил закон, согласно которому при угле падения i _Бр (угол Брюстера), определяемого соотношением

tg i _В = n ₂₁

(n ₂₁ - показатель преломления второй среды относительно первой), отраженный луч является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения) Преломленный же луч при угле падения i _В поляризуется максимально, но не полностью. (рис.3 б).

Почему поляризуются отраженный и преломленный лучи? Поляризация в этих случаях связана с тем, что колебания даже в неполяризованном луче уже в определенном смысле «поляризованы»: свет в отличие от звука не продольные, а поперечные колебания. В луче нет колебаний по пути его распространения.

Колебания и магнитной и электрической составляющих электромагнитных волн в неполяризованном луче направлены во все стороны от его оси, но не по этой оси. Все направления этих колебаний можно свести к двум, взаимно перпендикулярным. Когда луч отражается от плоскости, он меняет направление и одно из двух направлений колебаний становится «запретным», так как совпадает с новым направлением распространения луча. Луч становится поляризованным. В прозрачном веществе часть света уходит вглубь, преломляясь, и преломленный свет тоже, хотя и в меньшей степени, чем отраженный, поляризован.

Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (c одной стороны tg i _В= sin i _В/cos i _В; с другой - коэффициент преломления n ₂₁= sin i _В/ sin i ₂, где i ₂ – угол преломления во второй среде). Из равенства числителей у равных дробей вытекает равенство знаменателей:

cos i _В = cos i ′_B = sin i ₂

(угол отражения i ^′_В равен углу падения i _В). Следовательно, углы i ₂ и i _В являются взаимодополняющими до прямого угла 90^о.

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена (многократным преломлением при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера). Если, например, для стекла (n = 1,53) степень поляризации преломленного луча составляет ≈15%, то после преломления на 8-10 наложенных друг на друга стеклянных пластинок вышедший из такой системы свет будет практически полностью поляризованным. Такая совокупность пластинок называется стопой. Стопа может служить для анализа поляризованного света.

Поляризация света в результате двойного лучепреломления.

Все прозрачные кристаллы (кроме кристаллов кубической системы, которые вследствие симметрии оптически изотропны) обладают способностью двойного лучепреломления, т.е. раздваивания каждого падающего на них светового пучка. Это явление впервые обнаруженное датским ученым Э.Бартолином для исландского шпата (разновидность кальцита СаСО₃), объясняется особенностями распространения света в анизотропных средах и непосредственно вытекает из уравнений Максвелла.

Рис.4.

Если на толстый кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу (рис.4,а). Даже в том случае, когда первичный пучок падает на кристалл нормально, преломленный пучок разделяется на два, причем один из них является продолжением первичного луча, а второй отклоняется (рис.4,б). Второй из лучей получил название необыкновенного (е - от англ. слова extraordinary), а первый – обыкновенного (о - от слова ordinary). Угол α, образуемый обыкновенным и необыкновенным лучами, называется углом двойного лучепреломления.

Исследования обыкновенного и необыкновенного лучей показывают, что они полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Колебания светового вектора (вектора напряженности Е электрического поля) в обыкновенном луче происходят перпендикулярно главной плоскости, в необыкновенном луче - в главной плоскости (рис.4,б).

Неодинаковое преломление обыкновенного и необыкновенного лучей указывает на различие для них показателей преломления. Очевидно, что при любом направлении обыкновенного луча колебания светового вектора перпендикулярны оптической кристалла, поэтому обыкновенный распространяется по всем направлениям с одинаковой скоростью и, следовательно, показатель преломления n _о для него есть величина постоянная.

Для необыкновенного луча угол между направлением колебаний светового вектора и оптической ocью отличен от прямого и зависит от направления луча, поэтому необыкновенные лучи распространяются по различным направлениям с разными скоростями. Следовательно, показатель преломления n _е необыкновенного луча является переменной величиной, зависящей от направления луча.

Таким образом, обыкновенный луч подчиняется закону преломления (отсюда и название «обыкновенный»), а для необыкновенного луча этот закон не выполняется. После выхода из кристалла, принимать во внимание поляризацию во взаимно перпендикулярных плоскостях, эти два луча ничем друг от друга не отличаются.

Искусственная оптическая анизотропия под воздействием механических воздействий исследовать напряжения, возникающие в прозрачных телах. В данном случае о степени деформации отдельных участков изделия (например, остаточных деформаций в стекле) при закалке судят по распределению в нем окраски. Причина этого явления в том, что прозрачный для естественного света материал на самом деле неоднороден, или, что то же самое, анизотропен. Его физические свойства, в том числе показатели преломления разных участков предмета, неодинаковы. Световой луч в нём расщепляется на два, которые идут с разными скоростями и поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях.

Интенсивность поляризованного света, результат сложения двух световых волн, при этом не изменится. Но анализатор вырежет из него две плоско-поляризованные волны, колеблющиеся в одной плоскости, которые станут интерферировать Малейшее изменение толщины пластинки или напряжений в её толще приводит к появлению разности хода волн и возникновению окраски. В поляризованном свете очень удобно изучать распределение механических напряжений в деталях машин и механизмов, строительных конструкциях. Из прозрачной пластмассы делают плоскую модель детали (балки, опоры, рычага) и прикладывают к ней нагрузку, моделирующую реальную. Разноцветные полосы, возникающие в поляризованном свете, указывают на слабые места детали (острый угол, сильный изгиб и пр.) - в них концентрируются напряжения. Меняя форму детали, добиваются наибольшей её прочности. Провести такое исследование несложно. Из органического стекла (желательно однородного) можно вырезать, скажем, модель гака (крюка для подъёма груза) фермы или балки, подвесить модель перед экраном, нагружать гирьками разного веса на проволочных петельках и наблюдать, как в ней меняется распределение напряжений, а затем сделать соответствующий перерасчет на проектируемую конструкцию.

Явление искусственной оптической анизотропии используется для «визуализации» ультразвука. Источником ультразвуковых колебаний служит пьезоэлектрик (например, ниобат лития LiNbО₃), который периодически возбуждается генератором высокочастотного электрического напряжения. Ультразвуковые колебания воздействуют на акустооптические кристаллы (тяжелое оптическое стекло - флинтглас, диоксид теллура ТеO₂, молибданат свинца PbMoO₄). Ультразвуковая волна, распространяясь вдоль кристалла, периодически деформирует среду и создает чередующиеся темные полосы сжатия и светлые полосы разрежения, что вызывает ритмическое изменение коэффициента преломления n. Таким образом, в кристалле под действием ультразвуковых волн искусственно создается оптическая анизотропия.

На аналогичном принципе действуют дефлекторы (от лат. deflecto - отклоняю, отвожу), устройства, использующие для регулируемого отклонения световых пучков. Ультразвуковая волна, распространяясь вдоль кристалла, периодически деформирует среду и создает чередующиеся темные полосы сжатия и светлые полосы разрежения, что вызывает ритмическое изменение коэффициента преломления n. Таким образом, в кристалле под действием ультразвуковых волн искусственно создается регулярная дифракционная решетка, отклоняющая ход световых лучей.

Поляризационные методы используются в минералогии, кристаллографии, геологии, биологии, астрофизике, метеорологии, при изучении атмосферных явлений.

Вращение плоскости поляризации.

Некоторые твердые и жидкие вещества (например, кварц, сахар и его растворы, скипидар) обладают способностью вращать плоскость поляризации, такие вещества называют оптически активными. Если между скрещенными поляризатором и анализатором, дающими темное поле зрения, поместить кювету с оптически активным веществом, то поле зрения анализатора просветляется. При повороте анализатора на некоторый угол φ можно вновь получить темное поле зрения. Угол φ и есть угол, на который оптически активное вещество поворачивает плоскость поляризации света, прошедшего через поляризатор. Так, как поворотом анализатора можно получить темное поле зрения, то свет, прошедший через оптически активное вещество, является поляризованным. Угол поворота плоскости поляризации φ оптически активным веществом зависит от природы вещества, температуры, длины волны света в вакууме и расстояния, пройденного в оптически активном веществе единичной концентрации. На этом явлении основан точный метод определения концентрации растворов оптически активных веществ, называемый поляриметрией.

Дата добавления: 2015-10-28