Способы поляризации света закон брюстера

Способы поляризации света закон брюстера

§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

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.

При угле падения, равном углу Брюстера і_Бр: 1. отраженный от границы раздела двух диэлектриков луч будет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения; 2. степень поляризации преломленного луча достигает максимального значения меньшего единицы; 3. преломленный луч будет поляризован частично в плоскости падения; 4. угол между отраженным и преломленным лучами будет равен 90°; 4. тангенс угла Брюстера равен относительному показателю преломления

n ₁₂ — 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.

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 Е₀ и интенсивности I ₀ ( ), плоскость поляризации которого составляет угол φ 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 I ₀ и квадрату косинуса угла между плоскостью падающего света и плоскостью поляризатора.

Если на поляризатор падает естественный свет, то интенсивность вышедшего из поляризатора света I ₀ 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 СаСО₃). 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 n ₀ и n _е , а так как то можно сказать, что перво­причиной двойного лучепреломления является анизотропия диэлектрич­еской проницаемости кристалла. Кристаллы, у которых V _е V ₀ ( n _е > n ₀ ) называются положительными, а у которых V _е > V ₀ ( n _е n ₀ )называются отрицательными.

Источник

3.2. Методы получения поляризованного света. Закон Брюстера

Устройства, служащие для преобразования естественного или частично поляризованного света в плоско-поляризованный свет, называются поляризаторами. Их действие основывается на использовании поляризации света при отражении и преломлении света на границе раздела двух прозрачных изотропных диэлектриков, либо на явлении двойного лучепреломления в одноосных кристаллах.

Поляризация света при отражении от поверхности диэлектрика

Если угол падения луча света на поверхность диэлектрика (на­пример, стекла) не равен нулю, то отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преоблада­ют колебания вектора , перпендикулярные к плоскости падения (на рис. 3.2 следы векторов изображены точками). В преломленном луче преобладают колебания вектора , параллельные плоскости падения луча (на рис. 3.2 изображе­ны стрелками).

В естественном падающем луче интенсивность колебаний различных направлений одина­кова. Энергия этих колебаний одинакова. Она распределяется между отраженной и преломленной волной. Однако степень поля­ризации оказывается раз­личной в отраженном и прелом­ленном лучах и зависит от угла падения лучей и показа­теля преломления диэлектрика. Шотландский физик Д. Брюстер устано­вил, что при угле падения i_Б , называемом углом Брюстера, отражён­ный луч является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения). Преломленный же луч при угле падения i_Б оказывается частично поляризованным (в нем преоблада­ют колебания, лежащие в плоскости падения луча). Угол Брюстера удовлетворяет соотношению, называемому законом Брюстера

где n₂₁ = n₂/n₁  показатель преломления второй среды относительно первой.

Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (i + r = π/2). Действительно, из закона преломления света следует, что

.

Таким образом, стеклянная пластинка или любой другой изотропный диэлектрик мо­гут служить поляризаторами, если на них падает луч естественного света под углом Брюстера.

Степень поляризации преломленного света может быть значитель­но повышена. Для этого вместо одной пластинки пользуются системой одинаковых стеклянных пластинок, расположенных друг за другом так, что свет, выходящий из первой пластинки, падает под углом Брюстера на вторую, из второй — на третью и т.д. Такая система пластин, на­зываемая стеклянной стопой, позволяет путем многократных отражений и преломлений добиться того, чтобы свет, прошедший сквозь стопу, был практически полностью поляризован. Так, например, если для одной стеклянной пластинки степень поляризации преломленного луча состав­ляет

15 %, то после преломления на стопе из 8  10 пластинок вы­шедший свет оказывается практически полностью поляризованным (Р ≈1).

Поляризация при двойном лучепреломлении

До сих пор мы изучали явление преломления света в изотропных средах, т.е. в таких, физические свойства которых, в том числе и скорость распространения света, во всех направлениях одинаковы. В анизотропных средах преломление света происходит значительно сложнее.

Анизотропными называются среды, физичес­кие свойства которых зависят от направления. Все кристаллические вещества анизотропные.

В прозрачных кристаллах (кроме кристаллов кубической симметрии, которые оптически изотропные) преломленный луч пространственно раз­деляется на два луча. Это явление называется двойным лучепреломле­нием. Впервые двойное лучепреломление было обнаружено датским уче­ным Э. Бартолином на кристаллах исландского шпата  CaCO3.

Рассмотрим некоторые закономер­ности явления двойного лучепреломле­ния в кристаллах исландского шпата, обладающих ромбоэдрической структу­рой.

В кристалле исландского шпата имеется единственное направление (направление ав, рис. 3.3), вдоль которого двойного лучепреломления не наблюдается. Это направление называется оптической осью кристал­ла. Любая прямая, проходящая па­раллельно данному направлению aв, является оптической осью кристалла.

Меняя направление луча, падающего на поверхность кристалла, можно убедиться в том, что пространственного разделения падающего луча на два не происходит в двух случаях: луч падает параллельно оптической оси (рис. 3.4, а) и перпендикулярно оптической оси (рис. 3.4, б). Во всех иных случаях падения луча на кристалл происхо­дит пространственное разделение луча, даже при перпендикулярном падении луча на поверхность кристалла (рис. 3.4, в).

Луч, являющийся продолжением падающего (см. рис. 3.4, б, в), называется обыкновен­ным лучом (обозначается буквой о), отклоняющийся луч (см. рис. 3.4, в)  необыкновенным (обозначается, буквой е).

Обыкновенный и необыкновенный лучи имеют следующие свойства.

1. Обыкновенный и необыкновенный лучи имеют одинаковую интенсив­ность I_о = I_e , равную I_ест/2 (I_ест — интенсивность падающего на кристалл естественного луча).

2. Оба луча, обыкновенный и необыкновенный, полностью поляри­зованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

3. Обыкновенный луч подчиняется закону преломления света. Он лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, восста­новленным к поверхности кристалла в точке падения луча. Для этого луча при любом угле падения соблюдается закон преломления

.

Необыкновенный луч не лежит в плоскости падения луча и не подчиня­ется закону преломления. При изменении угла падения луча на крис­талл для необыкновенного луча

.

Даже при нормальном падении луча на кристалл необыкновенный луч преломляется (см. рис. 3.4, в).

4. Пространственное разделение луча внутри кристалла обус­ловлено анизотропией  различием скоростей распространения света по разным направлениям . Это приводит к различию пока­зателей преломления: .

5. Если свет падает перпендикулярно оптической оси кристалла (см. рис. 3.4, б), то, не разделяясь пространственно, он фактически делится на два луча  обыкновенный и необыкновенный: лучи идут по одному направлению, но с разными скоростями.

6. Обыкновенный и необыкновенный лучи остаются пространст­венно разделенными и после выхода из кристалла: они распространя­ются параллельно друг другу и параллельно падающему лучу.

7. После выхода из кристалла, если не принимать во внимание поляризацию во взаимно перпендикулярных плоскостях, обыкновенный и необыкновенный лучи ничем не отличаются друг от друга.

8. Обыкновенный и необыкновенный лучи по-разному поглощаются в некоторых кристаллах. Это явление носит название дихроизма.

Очень сильным дихроизмом в видимых лучах обладает кристалл турмалина (минерала сложного состава). В нем обыкновенный луч практически полностью поглощается на глубине 1 мм. Таким же свойст­вом обладает поляроид — целлулоидная пленка, в которую введено большое количество одинаково ориентированных кристалликов сульфа­та йодистого хинина. В этих кристалликах размером

0,1 мм один из лучей полностью поглощается.

Следовательно, турмалин и поляроид вследствие дихроизма мо­гут быть использованы в качестве поляризаторов.

Самым распространенным на практике способом получения поляри­зованных лучей с помощью двойного лучепреломления является призма Николя (У. Николь  шотландский физик) или просто николь.

Призма Николя представляет собой двойную призму из исландского шпата (рис. 3.5), склеенную вдоль линии АВ канадским бальзамом (стеклообразным веществом, добываемым из канадской пихты). На николь падает луч естественного света с интенсивностью I. В призме он раздваивается на два луча  обыкновенный () и необык­новенный (n_e = 1,52).

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источник