Поляризация света

Размещено на http://allbest.ru

1. Естественный и поляризованный свет

Испускание кванта света происходит в результате перехода электрона из возбужденного состояния в основное. Электромагнитная волна, испускаемая в результате этого перехода, является поперечной, то есть вектора и взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения. Колебания вектора происходят в одной плоскости. Свет, в котором вектор колеблется только в одном направлении, называется плоско поляризованным светом (или электромагнитной волной).

Поляризованным называется свет, в котором направления колебания вектора упорядочены каким-либо образом.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают световые волна независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора . Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным. Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора и незначительная амплитуда колебаний вектора в других направлениях, называется частично поляризованным. В плоско поляризованном свете плоскость, в которой колеблется вектор ,называется плоскостью поляризации, плоскость, в которой колеблется вектор , называется плоскостью колебаний.

Вектор называют световым вектором потому, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества.

Различает также эллиптически поляризованный свет: при распространении электрически поляризованного света вектор описывает эллипс, и циркулярно поляризованный свет (частный случай эллиптически поляризованного света) - вектор описывает окружность (сравните со сложением взаимно перпендикулярных колебаний: возможны: прямая линия, эллипс и окружность).

Степенью поляризации называется величина

где I_max и I_min - максимальная и минимальная компоненты интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора (то есть Е_х и Е_у - составляющие). Для плоско поляризованного света Е_у = Е, Е_х = 0, следовательно, Р = 1. Для естественного света Е_у = Е_х = Е и Р = 0. Для частично поляризованного света Е_у = Е, Е_х = (0...1)Еу, следовательно, 0 < Р < 1.

Если вектор в эллиптически поляризованном свете вращается при распространении света по часовой стрелке, то поляризация называется правой, против - левой. В эллиптически поляризованном свете колебания полностью упорядочены. К эллиптически поляризованному свету понятие степени поляризации не применимо, так что Р=1 всегда.

2. Анализ поляризованного света при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Закон Малюса

Наиболее просто поляризационный свет можно получить из естественного света при отражении световой волны от границы раздела двух диэлектриков. Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздух-стекло), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде.

Закон Брюстера: При угле падения, равном углу Брюстера і_Бр: отраженный от границы раздела двух диэлектриков луч будет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения; степень поляризации преломленного луча достигает максимального значения меньшего единицы; преломленный луч будет поляризован частично в плоскости падения; угол между отраженным и преломленным лучами будет равен 90°; тангенс угла Брюстера равен относительному показателю преломления

- закон Брюстера.

n₁₂ - показатель преломления второй среды относительно первой.

Угол падения (отражения) - угол между падающим (отраженным) лучом и нормалью к поверхности.

Плоскость падения - плоскость, проходящая через падающий луч и нормаль к поверхности. анизотропный поляризованный свет

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена многократным преломлением при условии падения света на границу раздела под углом Брюстера. Если для стекла (n = 1,53) степень поляризации преломленного луча составляет ?15 %, то после преломления на 8-10 наложенных друг на друга стеклянных пластинках, вышедший свет будет практически полностью поляризован - стопа Столетова.

Поляризованный свет можно получить из естественного с помощью поляризаторов - анизотропных кристаллов, пропускающих свет только в одном направлении (исландский шпат, кварц, турмалин).

Поляризатор, анализирующий в какой плоскости поляризован свет, называется анализатором.

Если на анализатор падает плоско поляризованный свет амплитудой Е ₀ и интенсивности I₀(), плоскость поляризации которого составляет угол ц с плоскостью анализатора, то падающее электромагнитное колебание можно разложить на два колебания; с амплитудами и , параллельное и перпендикулярное плоскости анализатора.

Сквозь анализатор пройдет составляющая параллельная плоскости анализатора, то есть составляющая , а перпендикулярная составлявшая будет задержана анализатором. Тогда интенсивность прошедшего через анализатор света будет равна ():

- закон Малюса

Закон Малюса: Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, прямо пропорциональна произведению интенсивности падающего плоско поляризованного света I₀ и квадрату косинуса угла между плоскостью падающего света и плоскостью поляризатора.

Если на поляризатор падает естественный свет, то интенсивность вышедшего из поляризатора света I₀ равна половине I_ест, и тогда из анализатора выйдет

3. Двойное лучепреломление

Все кристаллы, кроме кристаллов кубической система - изотропных кристаллов, являются анизотропными, то есть свойства кристаллов зависят от направления. Явление двойного лучепреломления впервые было обнаружено Барталином в 1667 г. на кристалле исландского шпата (разновидность СаСО ₃).

Явление двойного лучепреломления заключается в следующем: луч света, падающий на анизотропный кристалл, разделяется в нем на два луча: обыкновенный и необыкновенный, распространяющиеся с разными скоростями в различных направлениях.

Анизотропные кристаллы подразделяются на одноосные и двуосные.

У одноосных кристаллов имеются одно направление, называемое оптической осью, при распространении вдоль которого не происходит разделения на обыкновенный и необыкновенный лучи. Любая прямая параллельная направлению оптической оси будет также являться оптической осью. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главным сечением или главной плоскостью кристаллам.

Отличия между обыкновенными и необыкновенными лучами:

1. обыкновенный луч подчиняется законам преломления

необыкновенный - нет;

2. обыкновенный луч поляризован перпендикулярно главной плоскости, плоскость поляризации необыкновенного луча перпендикулярна плоскости поляризованного обыкновенного луча;

3. кроме оптической оси обыкновенные и необыкновенные лучи распространяются в разных направлениях. Показатель преломления n₀ обыкновенного луча постоянен во всех направлениях, следовательно, фазовая скорость обыкновенного луча постоянна во всех направлениях. Показатель преломления n_е необыкновенного луча (U_ф.е.) зависит от направления.

Различие скоростей U_о и U_е для всех направлений, кроме направления оптической оси, обуславливает явление двойного лучепреломления в одноосных кристаллах. У двуосных кристаллов имеется два направления, вдоль которых не происходит двойного лучепреломления.

Понятие обыкновенного и необыкновенного лучей имеет место пока эти лучи распространяются в кристалле, при выходе из кристалла эти понятия теряют смысл, то есть лучи отличаются только плоскостями поляризаций.

Природа двулучепреломления связана с тем, что обыкновенные и необыкновенные лучи имеют разные скорости, а так как , то для обыкновенного и необыкновенного лучей будут разные показатели преломления n₀ и n_е, а так как то можно сказать, что первопричиной двойного лучепреломления является анизотропия диэлектрической проницаемости кристалла. Кристаллы, у которых V_е < V₀ (n_е > n₀) называются положительными, а у которых V_е > V₀ (n_е < n₀)называются отрицательными.

4. Поляризационные призмы и поляроиды

Поляризационными приборами называются приборы, с помощью которых из естественного света можно, получить плоско поляризованный свет. В основе работі поляризационных приборов лежит явление двойного лучепреломления.

Поляризационные прибора делятся на призмы и поляроиды. Призмы делятся на поляризационные призмы (дающие один плоско поляризованный луч) и двоякопреломляющие призмы (два поляризованных луча во взаимно перпендикулярных плоскостях).

Поляризационные призмы используют принцип полного внутреннего отражения обычного луча. Полное внутренне отражение наблюдается при падении света на границу раздела оптически более плотной среды с оптически менее плотной средой. При углах падения больших критического i_кр свет полностью отражается, не преломляясь. Интенсивность отраженного света в этом случае равна интенсивности падающего света.

Призма Николя (шотл. ученый 1768--1851) представляет собой двойную призму из исландского шпата, склеенную вдоль линии АВ канадским бальзамом, с n =1,55. Оптическая ось 00' призмы составляет с входной гранью угол 48°. На передней гране призмы естественный луч, параллельный ребру СВ раздваивается на два луча: обыкновенный (n_o = 1,86) и необыкновенный (n_e = 1,51). При соответствующем подборе угла падения, равного или большего предельного (критического) обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение (так как для него канадский бальзам - менее плотная среда), а затем поглощается зачерненной поверхностью СВ. Необыкновенный луч выходит из кристалла параллельно падающему лучу, незначительно смещаясь относительно падающего (из-за преломления на гранях АС и ВД).

Двоякопреломляющие призмы используют различие в показателях преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, чтобы развести их возможно дальше друг от друга. Их изготавливают их исландского шпата и стекла, из двух призм исландского шпата с перпендикулярными оптическими осями.

Двоякопреломляющие кристаллы обладают дихроизмом (ди - два, хром - цвет) - показатель поглощения света зависит от ориентации вектора , от направления распространения света в кристалле и длины волны. Явление дихроизма проявляется в различной окраске кристаллов по разным направлениям. Примером дихроичного кристалла является турмалин - одноосный кристалл, в котором обыкновенный луч поглощается во много раз сильнее необыкновенного.

Еще более ярко выраженным дихроизмам обладают кристаллы герапатита (сернокислого йод-хинина). Пленка герапатита толщиной ~ 0,1 мм полностью поглощает обыкновенные лучи видимой области спектра. Дихроичные кристаллы используются для изготовления поляроидов - тонкие кристаллические плёнки, позволяющие получать плоско поляризованный свет.

5. Анализ поляризованного света

Плоско поляризованный свет внутри кристаллической пластинки разделяется на обыкновенный и необыкновенный.

При выходе из пластинки эти лучи будут складываться и давать эллиптически поляризованный свет:

Между обыкновенным и необыкновенным лучами в пластинке возникнет разность хода

или разность фаз

Пластинка с

называется пластинкой в четверть волны (пластинкой )

("+" для положительных кристаллов, "-" для отрицательных).

Если , то уравнение на выходе

Если свет падает на пластинку под углом б = 45°, то Е ₀ = Е_е и на выходе будет циркулярно поляризованный свет. Пластинка, у которой

называется полуволновой пластинкой.

6. Искусственная оптическая анизотропия

Ряд кристаллов, являющихся изотропными, в результате внешнего воздействия становятся оптически анизотропными. Искусственную анизотропию можно вызвать:

1. механическим воздействием (сжатием или растяжением) кристаллов кубической симметрии, стекол к других аморфных тел. Во всех случаях внешнего воздействий вещество приобретает свойства одноосного кристалла (то есть становится двулучепреломляющим), оптическая ось которого совпадает с направлением деформаций, электрического и магнитного поля.

где у - упругая деформация.

k_{1 -} постоянная, характеризующая вещество.

При F=0 свет на экран не проходит. При F?0 на экране наблюдается интерференционная картина.

1. электрическим полем (эффект Керра - возникновение искусственной оптической анизотропии под действием электрического поля в жидкостях, газах, аморфных телах);

где Е - напряженность электрического поля,

k_{2 -} постоянная, характеризующая вещество.

3. магнитным полем (эффект Коттона-Мутона) возникновение искусственной оптической анизотропии под действием магнитного поля в жидкостях, стеклах, коллоидах" Мерой возникающей оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси.

где Н - напряженность магнитного поля,

k_{3 -} постоянная, характеризующая вещество.

Размещено на Allbest.ru