Поляризація світла

§1 Природнє й поляризоване світло

Випущення кванта світла відбувається в результаті переходу електрона зі збудженого стану в основне. Електромагнітна хвиля, що випускається в результаті цього переходу є поперечної, тобто вектора   і взаємно перпендикулярні й перпендикулярні напрямку поширення.  Коливання вектора  відбуваються в одній площині. Світло, у якому вектор  коливається тільки в одному напрямку називається пласко поляризованим світлом (або електромагнітною хвилею). Поляризованим називається світло, у якому напрямку коливання вектора  

впорядковані яким-небудь образом.

Світло являє собою сумарне електромагнітне випромінювання безлічі атомів. Атоми випромінюють світлові хвиля незалежно друг від друга, тому світлова хвиля, випромінювана тілом у цілому, характеризується всілякими рівно імовірним коливаннями світлового вектора . Світло із усілякими рівно імовірними орієнтаціями вектора називається природнім. Світло, у якому є переважний напрямок коливань вектора й незначна амплітуда коливань вектора  в інших напрямках називається частково поляризованим. У пласко поляризованому світлі площина, у якій коливається вектор ,називається площиною поляризації, площина, у якій коливається вектор,називається площиною коливань.

Вектор  

називають світловим вектором тому, що при дії світла на речовину основне значення має електрична складова поля хвилі, що діє на електрони в атомах речовини.

Розрізняє також еліптично поляризований світло: при поширенні електрично поляризованого світла вектор  описує еліпс, і циркулярно поляризований світло ( окремий випадок еліптично поляризованого світла) - вектор описує окружність (зрівняєте з додаванням взаємно перпендикулярних коливань: можливі: пряма лінія, еліпс і окружність).

 

Ступенем поляризації називається величина

де Imax і Imin – максимальна й мінімальна компоненти інтенсивності світла, що відповідають двом взаємно перпендикулярним компонентам вектора (тобто Ех і Еу – складові). Для пласко поляризованого світла Еу = Е, Ех = 0, отже, Р = 1. Для природнього світла Еу = Ех = Е и Р = 0. Для частково поляризованого світла Еу = Е, Ех = (0...1)Еу, отже, 0 < Р < 1.

Якщо вектор в еліптично поляризованому світлі обертається при поширення світла за годинниковою стрілкою, то поляризація називається правої, проти - лівої. В еліптично поляризованому світлі коливання повністю впорядковані. До еліптично поляризованого світла поняття ступені поляризації не застосовний, так що Р = 1 завжди.

§2 Аналіз поляризованого світла при відбитті й переломленні.

Закон Брюстера. Закон Малюса

Найбільше просто поляризаційне світло можна одержати із природнього світла при відбитті світлової хвилі від границі роздягнула двох  діелектриків.

Якщо природнє світло падає на границю роздягнула двох діелектриків (наприклад, повітря-стекло), то частина його відбивається, а частина переломлюється й поширюється в другому середовищі.

Закон Брюстера:

 При куті падіння, рівному куті Брюстера іБр : 1. відбитий від границі роздягнула двох діелектриків промінь буде повністю поляризований у площині, перпендикулярній площині падіння; 2. ступінь поляризації переломленого променя досягає максимального значення меншого одиниці; 3. переломлений промінь буде поляризований частково в площині падіння; 4. кут між відбитим і переломленим променями буде рівний 90°; 4. тангенс кута Брюстера дорівнює відносному показнику переломлення

- закон Брюстера.

 n12 -

показник переломлення другий серед відносно першої. Кут падіння (відбиття) - кут між падаючим (відбитим) променем і нормаллю до поверхні. Площина падіння - площина, що проходить через падаючий промінь і нормаль до поверхні.

Ступінь поляризації переломленого світла може бути значно підвищена багаторазовим переломленням за умови падіння світла на границю роздягнула під кутом Брюстера. Якщо для скла (n = 1,53) ступінь поляризації переломленого променя становить ≈15 %, то після переломлення на 8-10 накладених один на одного скляних пластинках, вышедший світло буде практично повністю поляризоване - стопа Столетова.

 Поляризоване світло можна одержати із природнього за допомогою поляризаторів - анізотропних кристалів, що пропускають світло тільки в одному напрямку (ісландський шпат, кварц, турмалін).

Поляризатор, що аналізує в якій площині поляризоване світло, називається аналізатором.

Якщо на аналізатор падає пласко поляризований світло амплітудою Е0 і інтенсивності I0 (), площина поляризації якого становить кут φ із площиною аналізатора, то падаюче електромагнітне коливання можна розкласти на два коливання; з амплітудами і ,паралельне й перпендикулярне площини аналізатора.

 Крізь аналізатор пройде складова паралельна площини аналізатора, тобто складова , а перпендикулярна, що становила буде затримана аналізатором. Тоді інтенсивність минулого через аналізатор світла буде рівна ():

 - закон Малюса

Закон Малюса:Інтенсивність світла, що пройшло через поляризатор,  прямо пропорційна добутку інтенсивності падаючого пласко поляризованого світла I0 і квадрату косинуса кута між площиною падаючого світла й площиною поляризатора.

Якщо на поляризатор падає природнє світло, то інтенсивність світла, що вийшла з поляризатора I0 дорівнює половині Iприр, і тоді з аналізатора вийде

 

§ 3 Подвійна променезаломлюваність

Усі кристали, крім кристалів кубічної система— ізотропних кристалів, є анізотропними, тобто властивості кристалів залежать від напрямку. Явище подвійної променезаломлюваності вперше було виявлено Барталином в 1667 г. на кристалі ісландського шпату (різновид СаСО3). Явище подвійної променезаломлюваності полягає в наступному: промінь світла, що падає на анізотропний кристал,  розділяється в ньому на два промені: звичайний і незвичайн, що поширюються з різними швидкостями  

в різних напрямках.

Анізотропні кристали підрозділяються на одноосьові й двуосні

В одноосьових кристалів є один напрямок, називаний оптичною віссю, при поширенні уздовж якого не відбувається поділу на звичайний і незвичайний промені.  Будь-яка пряма паралельна напрямку оптичної осі буде також бути оптичною віссю. Будь-яка площина, що проходить через оптичну вісь і падаючий промінь, називається головним перетином або головною площиною кристалам.

Відмінності між звичайними й незвичайними променями:

звичайний промінь підкоряється законам переломлення
  1. незвичайний - немає;
  2. звичайний промінь поляризований перпендикулярно головної площини, площина поляризації незвичайного променя перпендикулярна площини поляризованого звичайного променя;
  3.  крім оптичної осі звичайні й незвичайні промені поширюються в різних напрямках. Показник переломлення n0 звичайного променя постійний у всіх напрямках, отже, фазова швидкість звичайного променя постійна у всіх напрямках. Показник переломлення  nе  незвичайного променя (Uф.е.) залежить від напрямку.

Відмінність швидкостей Uо й Uе для всіх напрямків, крім напрямку оптичної осі, обумовлює явище подвійної променезаломлюваності в одноосьових кристалах. У двуосных кристалів є два напрямки, уздовж яких не відбувається подвійної променезаломлюваності.

Поняття звичайного й незвичайного променів має місце поки ці промені поширюються в кристалі, при виході із кристала ці поняття втрачають зміст, тобто промені відрізняються тільки площинами поляризацій.


Природа двулучепреломления пов'язана з тим, що звичайні й незвичайні промені мають різні швидкості, а тому що   ,то для звичайного й

незвичайного променів будуть різні показники переломлення n0 і nе, а тому що  то можна сказати, що першопричиною подвійної променезаломлюваності є анізотропія діелектричної проникності кристала. Кристали, у яких Vе  < V0 ( nе > n0) називаються позитивними, а в яких Vе  > V0 ( nе < n0) називаються негативними

До списку лекцій

Головна