Анализ поляризованного света. Закон Малюса

 

Линейно поляризованный свет можно получать из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами. Эти устройства свободно пропускают колебания, параллельные лишь одной плоскости, которая называется плоскостью поляризатора, и полностью задерживают колебания, перпендикулярные к этой плоскости.

Для уяснения сущности поляризации рассмотрим некоторую механическую аналогию. Пусть имеется источник S механических волн, шнур, к которому прикреплен колокольчик K, и две пластинки A и B.

Если плоскость колебаний шнура лежит между пластинками, то по звону колокольчика мы судим о наличии колебаний шнура за щелью. Во - втором случае колебания шнур гасятся. Щель А-В выполняет роль поляризатора - преобразователя неполяризованной волны в поляризованную.

Рассмотрим рис.30. Прибор, обнаруживающий линейную поляризацию света, называется анализатором. В принципе он ничем не отличается от поляризатора (см. рис.30).

 

 

 

Естественный свет после прохождения поляризатора P₁ становится линейно поляризованным с амплитудой A₀ и интенсивностью I₀. После прохождения второго поляризатора P₂ (анализатора) амплитуда колебаний (полностью задерживается). Так как интенсивности пропорциональны квадратам амплитуды, то

и ,

где k – коэффициент пропорциональности.

Иными словами

.

Выражение

называется законом Малюса.

В формуле (3.1): I – интенсивность линейно поляризованного света, прошедшего через анализатор; I₀ – интенсивность линейно поляризованного света, падающего на анализатор; a – угол между направлением колебаний вектора в падающей волне и плоскостью поляризации анализатора (угол между плоскостями поляризаторов).

В естественном свете все значения a равновероятны. Так как , то средняя интенсивность I прошедшего через поляризатор естественного света равна

,

где I₀ – интенсивность естественного света.

 

3.3. Поляризация света при отражении.
Закон Брюстера

 

Естественный свет при отражении от границы раздела двух диэлектриков поляризуется. Степень поляризации (отношение интенсивности поляризованной составляющей света к полной интенсивности света) и ее тип зависят от угла падения волн на поверхность и электрических свойств этой поверхности.

В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения (на рис. 6.31 и 6.32 они отмечены точками), в преломленном – колебания, параллельные плоскости падения (стрелки).

При угле падения i_Б, удовлетворяющем условию

,

где относительный показатель преломления второй среды относительно первой , отраженный луч 1 полностью линейно поляризован.

Угол i_Б называется углом Брюстера, или углом полной поляризации, а зависимость (3.3) – законом Брюстера.

Легко проверить, что при падении естественного света под углом Брюстера отраженный 1 и преломленный 2 лучи взаимно перпендикулярны. Поэтому .

Естественный свет поляризуется и при преломлении на границах двух диэлектриков. Так называемая стопа Столетова, состоящая из многих параллельных пластинок, на которые падает под углом Брюстера естественный свет, позволяет получить в результате многократных преломлений практически полностью линейно поляризованный свет в плоскости, параллельной плоскости падения.

 

 

3.4. Двойное лучепреломление. Поляроиды и
поляризационные призмы

 

При прохождении света через некоторые анизотропные кристаллы (исландский шпат, турмалин, кварц) наблюдается двойное лучепреломление, связанное с разделением световой волны на две волны (см. рис. 33).

Одна волна описывается обычным законом преломления света (преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим и нормалью к поверхности раздела). Эта волна и ее луч называются обыкновенными (0).

Другая волна и ее луч называются необыкновенными (е). Необыкновенный луч не лежит в плоскости падения и не подчиняется обычному закону преломления (при нормальном падении он испытывает преломление). Причиной двойного лучепреломления является анизотропия оптических свойств кристаллов. В анизотропных кристаллах имеется направление (оно называется оптической осью), вдоль которого обыкновенная и необыкновенная волны распространяются, не разделяясь, с одной и той же скоростью.

Обыкновенная и необыкновенная волны линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях: обыкновенная – в плоскости, перпендикулярной к оптической оси кристалла, необыкновенная – в плоскости, параллельной оптической оси.

Обыкновенный луч распространяется по всем направлениям с одинаковой скоростью, и, следовательно, показатель преломления n₀ для него постоянен .

Необыкновенные лучи распространяются по различным направлениям с разными скоростями, зависящими от направления луча .

Двойное лучепреломление используется в специальных приспособлениях, называемых поляризационными призмами и поляроидами. Поляризационные призмы (например, призма Николя, называемая просто николем) сконструированы по принципу полного отражения одного из лучей (обыкновенного или необыкновенного) от границы раздела, в то время как другой луч с другим показателем преломления проходит через эту границу.

Двоякопреломляющие кристаллы обладают свойством дихроизма, т.е. различного поглощения света в зависимости от ориентации электрического вектора световой волны. Такие кристаллы называются дихроичными. К их числу относятся наиболее часто используемые в настоящее время поляроиды, представляющие собой тонкую целлулоидную пленку, в которую вкраплены кристаллики герапатита (сернокислого иод–хинина) – двоякопреломляющего вещества с очень сильно выраженным дихроизмом в области видимого света. Эти кристаллики пропускают почти 80 % света, поляризованного в одной плоскости, и менее 1 % света, поляризованного в перпендикулярной плоскости.

Поляроиды применяются для защиты от ослепляющего действия солнечных лучей и фар встречного автотранспорта.

 

3.5. Интерференция поляризованного света.
Искусственная оптическая анизотропия.