Поляризація світла. Типи і способи поляризації

6.8.1. Світлова хвиля складається з багатьох цугів електромагнітних хвиль, що випромінюються окремими атомами. Площина коливань (площина коливань світлового вектора ) для кожного цугу орієнтована випадково. Тому в природному світлі коливання різних напрямків швидко і хаотично змінюють одне одного. Світло, в якому напрямки коливань якимось чином впорядковані, називається поляризованим. Якщо коливання світлового вектора відбувається в одній площині, світло називають плоско- (або лінійно-) поляризованим. Площину, перпендикулярну до площини коливань, називають площиною поляризації (рис.6.19).

Якщо кінець світлового вектора описує еліпс, то світло називається еліптично-поляризованим. Таке світло можна представити як суму двох когерентних плоскополяризованих хвиль, площини коливань яких взаємно перпендикулярні. Проекції світлових векторів на відповідні осі змінюються по закону

. (6.42)

При різниці фаз еліпс вироджується в пряму – маємо плоскополяризоване світло. При різниці фаз і рівності амплітуд еліпс перетворюється в коло. В цьому випадку маємо циркулярно-поляризоване світло (колова поляризація). В залежності від напрямку обертання світлового вектора розрізняють праву і ліву еліптичну і колову поляризації.

Плоскополяризоване світло можна отримати з природного за допомогою поляризаторів. Ці прилади вільно пропускають коливання, паралельні до площини поляризатора і повністю затримують коливання, перпендикулярні до цієї площини.

Нехай на поляризатор падає плоскополяризоване світло з амплітудою і інтенсивністю (мал.6.20). Крізь прилад пройде складова коливання з амплітудою де – кут між площиною коливань падаючого світла і площиною поляризатора. Інтенсивність світла, що пройшло через поляризатор,

. (6.43)

Це співвідношення носить назву закону Малюса.

Поляризоване світло можна також отримати при відбиванні світла на межі поділу двох середовищ. При куті падіння, який задовольняє умові

(6.44)

(закон Брюстера) відбитий промінь – повністю поляризований. Коливання у відбитому промені відбуваються у площині, перпендикулярній до площини падіння. Ступінь поляризації заломленого променя при куті падіння – максимальний, однак цей промінь лишається поляризованим лише частково (рис.6.21).

6.8.2. При проходженні світла через анізотропні кристали відбувається явище подвійного променезаломлення. Падаючий на кристал природний промінь ділиться на два плоскополяризовані – звичайний (0) і незвичайний (е) (рис. 6.22). Звичайний промінь підкоряється закону заломлення, незвичайний – ні; для нього показник заломлення різний в різних напрямках.

В кожному анізотропному кристалі існує напрямок (або два), вздовж якого подвійне променезаломлення не відбувається, а звичайний і незвичайний промені поширюються з однаковою швидкістю. Такий напрямок називається оптичною віссю кристалу. Існують одноосні кристали (кварц, ісландський шпат) і двоосні (слюда, гіпс). Довільна площина, яка проходить через оптичну вісь, називається головною площиною кристалу. На рис.6.22 – оптична вісь, тому площина малюнку є головною площиною. Якщо напрямок променя співпадає з оптичною віссю, то подвійного променезаломлення немає.

Подвійне променезаломлення лежить в основі роботи поляризаторів: поляризаційних призм і поляроїдів. Поляризаційна призма Ніколя (ніколь) являє собою призму з ісландського шпату, розрізану по діагоналі і склеєну канадським бальзамом. Показник заломлення канадського бальзаму n лежить між показниками заломлення і звичайного і незвичайного променів в кристалі . Кут падіння такий, що звичайний промінь зазнає на прошарку клею повного внутрішнього відбивання і не проходить крізь призму. З рис.6.23 видно, що призма Ніколя пропускає лише незвичайний лінійнополяризований промінь.

В деяких кристалах один з променів поглинається сильніше іншого. Це явище називається дихроїзмом. Так, наприклад, в кристалі турмаліну звичайний промінь на довжині 1мм поглинається практично повністю. Таку ж властивість має целулоїдна плівка–поляроїд, в яку введена велика кількість однаково орієнтованих кристалів сульфату йодистого хініну.

§6.9. Інтерференція поляризованих променів. Обертання площини поляризації

6.9.1. Звичайна і незвичайна хвилі, які поширюються в одноосному кристалі при падінні на нього природного світла, – некогерентні. Якщо ж на одноосний кристал падає лінійнополяризоване світло, то звичайна і незвичайна хвилі в кристалі будуть когерентними. Нехай плоскопаралельна пластинка, яка вирізана з одноосного кристалу паралельно його оптичній осі, розміщена між двома ніколями (рис.6.24). На виході з пластинки між звичайною і незвичайною хвилями виникає різниця фаз

. (6.45)

Хоча ці хвилі після пластинки – когерентні, однак вони не можуть давати інтерференцію через те, що вони поляризовані у взаємно перпендикулярних площинах. Для спостереження інтерференції цих хвиль необхідно за допомогою аналізатора виділити з них складові, які поляризовані в одній площині і тому здатні інтерферувати. Таким чином, якщо , спостерігається максимум інтенсивності поляризованого світла. Якщо , спостерігається мінімум інтенсивності поляризованого світла.

Інтерференцію поляризованих променів спостерігають при штучній анізотропії, яка може бути зумовлена деформацією або електричним полем. Зеебек і Брюстер (1816) відкрили явище фотопружності, яке полягає в тому, що оптично ізотропне тверде тіло під впливом механічної деформації стає оптично анізотропним (тіло набуває властивостей одноосного кристалу, вісь якого направлена вздовж напрямку стиску або розтягу). Різниця показників заломлення , де – нормальна напруга. Таким чином, помістивши деформоване тіло між поляризатором і аналізатором, можна спостерігати інтерференційну картину. По вигляду інтерференційних смуг можна судити про розподіл напруг в досліджуваному тілі (кожна ізохромата проходить через точки, в яких однакові). На рис. 6.25 показано вигляд деформованої пластмасової моделі між двома схрещеними поляризаторами. Оптичний метод вивчення розподілу внутрішніх напруг на прозорих моделях деталей і конструкцій широко використовується в сучасній техніці і будівництві.

Штучна анізотропія, викликана електричним полем, була відкрита Кером (1875) і носить назву ефекту Кера. Схема його спостереження зображена на рис.6.26, де П і А – поляризатор і схрещений з ним аналізатор, К – комірка Кера (кювета з рідиною і плоским конденсатором). Під дією однорідного електричного поля ізотропна рідина набуває властивостей одноосного кристалу. При цьому

, (6.46)

де –довжина хвилі світла у вакуумі, В – стала Кера, Е – напруженість електричного поля.

Анізотропія пояснюється тим, що рідина в електричному полі поляризується і набуває анізотропних властивостей. Орієнтація і дезорієнтація молекул відбувається на протязі секунди, тому при вимиканні електричного поля практично миттєво зникає світло після аналізатора, тобто комірка Кера працює як безінерційний світловий перемикач.

6.9.2.При проходженні лінійно-поляризованого світла через оптично активні речовини (кварц, розчин цукру) площина поляризації світла обертається навколо напрямку поширення променя. Кут повороту j пропорційний до шляху , пройденому променем в речовині:

. (6.47)

Коефіцієнт називають постійною обертання.

В розчинах кут повороту площини поляризації пропорційний до шляху променя в розчині і концентрації розчину С:

(6.48)

де – питома постійна обертання.

Залежність (6.48) використовується для вимірювання невідомої концентрації за відомою концентрацією розчину :

(6.49)

де – кут повороту для невідомої концентрації, – кут повороту для відомої концентрації.

Явище оптичної активності покладене в основу роботи цукрометрів – приладів для вимірювання концентрації розчинів.