Поляризація світла при відбиванні і заломленні на межі двох діелектриків.

Лекція 21. Поляризація

Природне і поляризоване світло

Як випливає з теорії Максвелла, електромагнітна хвиля є поперечною. В ній вектори напруженості електричного та магнітного полів взаємно перпендикулярні і коливаються перпендикулярно вектору швидкості розповсюдження хвилі. Вектори напруженості електричного та магнітного полів синфазні, тому для описання явища поляризації світла можна розглядати лише один з цих векторів. Оскільки за світлову дію на око людини, чи дію на фотопластинку відповідає вектор напруженості електричного поля і взагалі при дії світла на речовину основне значення має електрична складова електромагнітної хвилі, то розглядають саме вектор напруженості електричного поля , який називають світловим вектором.

Світло являє собою електромагнітне випромінювання великої кількості атомів. При цьому кожний атом випромінює хвилі незалежно один від одного. Тому світлова хвиля, що випромінюється тілом, характеризується різноманітними рівноімовірними напрямами коливаннями світлового вектора , (рис.1 а).

а. б. в.

Рис.1

Для випадку (рис.1 а) рівномірний розподіл світлових векторів пояснюється великою кількістю атомарних випромінювачів, а рівність амплітудних значень вектора , однаковою в середньому інтенсивністю випромінювання кожного атома. Світло з рівноімовірними орієнтаціями вектора , (відповідно і ,) в просторі називається природним світлом (рис.1 а).Світло, в якому напрям коливань світлового вектора якимось чином упорядкований, називається поляризованим світлом. Площина, яка проходить через напрям коливань світлового вектора плоскополяризованої хвилі і напрям розповсюдження, називається площиною поляризації.

Види поляризованого світла

Якщо якийсь напрям коливань вектора , переважає, світло буде частково поляризованим (рис.1б).

Світло, в якому вектор , коливається тільки в одному напрямі (перпендикулярному до променя) називається плоскополяризованим (лінійно поляризованим).

Світло, в якому вектор ,змінюється з часом так, що його кінець описує еліпс розташований в площині перпендикулярній до променя, називається еліптично поляризованим світлом.

Світло, в якому вектор , змінюється з часом так, що його кінець описує коло розташоване в площині перпендикулярній до променя, називається циркулярно поляризованим світлом або поляризованим по колу світлом. (Раніше в темі «Коливання» розглядалось складання взаємно перпендикулярних коливань з однаковою частотою).

Характеристики, закони поляризованого світла

Ступінь поляризації світла (Р)- ФВ, яка визначається:

(1)

Де - та –максимальна та мінімальна інтенсивності світла, що відповідає двом взаємно перпендикулярним компонентам вектора . Для природного світла = Р=0. Для плоскополяризованого світла , Р=1.

Природне світло можна перетворити в плоско поляризоване за допомогою поляризаторів. В якості поляризаторів використвують середовища анізотропні по відношенню до коливань вектора , наприклад, кристали. З природних кристалів використовують турмалін, вирізаний паралельно його оптичній осі у формі пластинок. Поляризатори пропускають коливання лише певного напряму, наприклад, коливання паралельні площині поляризації і повністю затримують коливання перпендикулярні до цієї площини. Розглянемо класичні досліди з турмаліном , рис.2

О₁

О₂

О₁

О₂

Рис.2

При обертанні пластинки кристала Т₁ (її називають поляризатор) навколо променя ніяких змін інтенсивності світла, що проходить крізь нього не спостерігаємо. Якщо на шляху променя поставити другу таку ж саму пластинку турмаліну Т₂ (її називають аналізатор), то інтенсивність світла, що пройшло її, змінюється залежно від кута між оптичними осями кристалів згідно закону Малюса

, (2)

де І_А – інтенсивність світла, що вийшло із аналізатора, І_Р - інтенсивність світла, що вийшло із поляризатора і падає на аналізатор. Аналізатор потрібний для аналізу поляризованого світла, тому що фотопластинка чи око людини не реагує на поляризацію світла, а реагує лише на інтенсивність світла. Поляризатор перетворює природне світло в поляризоване , а аналізатор слугує для аналізу ступеня поляризації. Поляризатор і аналізатор однакові. Їх можна міняти місцями. Якщо через поляризатор проходить природне світло інтенсивністю І₀, то з нього виходить плоско поляризоване світло інтенсивність якого

= = (3)

Тому інтенсивність світла, що пройшло через поляризатор і аналізатор

= (4)

Звідки = - поляризатор і аналізатор паралельні, = 0 – поляризатор і аналізатор зхрещені.

Поляризація світла при відбиванні і заломленні на межі двох діелектриків.

Розглянемо, що відбувається при падінні світла на межу двох діелектриків повітря – скло (рис.3).

_о

n₁

n₂

Рис.3

На межі двох середовищ одна частина падаючого променя відбивається в середовищі з n₁, а друга частина в середовищі з n₂заломлюється згідно із законами відбивання та заломлення. Розташовуючи на шляху відбитого та заломленого променів аналізатор можна помітити, що ці промені частково поляризовані. Тобто при обертанні аналізатора навколо відбитого та заломленого променів спостерігається періодичне збільшення та зменшення інтенсивності світла, але повного гасіння немає. Подальші дослідження показали, що у відбитому промені переважають коливання світлового вектора перпендикулярні до площини падіння (на рис. 3 крапки), а в заломленому промені – паралельні площині падіння (на рис. 3 стрілки). Далі виявилося, що ступінь поляризації світлових хвиль залежить від кута падіння променів. Шотл. вчений Д.Брюстер встановив закон, згідно якого при куті падіння і_Б (кут Брюстера), який визначається співвідношенням

(5)

де -показник заломлення другого середовища відносно першого. При виконанні умови (5) відбитий промінь є плоскополяризованим і містить коливання лише перпендикулярні до площини падіння (рис.4). Заломлений промінь поляризується максимально, але не повністю. Якщо світло падає на межу розділу середовищ під кутом Брюстера, то відбитий і заломлений промені взаємно перпедикулярні.

_о

n₁

n₂

і _Б

Рис.4

Із закону Брюстера та закону заломлення випливає:

Тут - кут заломлення. . Звідси .

Ступінь поляризації заломленого променя можна значно підвищити багатократним заломленням при умові падіння світла кожний раз на межу розділу під кутом Брюстера. Після проходження 8-10 скляних пластинок накладених одна на одну світло буде практично повністю поляризоване. Така сукупність пластинок називається стопою. Стопа може слугувати для аналізу поляризованого світла як при відбиванні , так і при заломленні.

Подвійне променезаломлення

Будь-які кристали, крім ізотропних кристалів, мають здатність подвійного променезаломлення, тобто роздвоювання кожного падаючого на них світлового пучка. Це явище пояснюється особливостями розповсюдження світла в анізотропних середовищах. Якщо, наприклад, на товстий кристал ісландського шпату направити вузький пучок світла, то з нього вийдуть два просторово розділених промені, паралельних один одному. Це відбувається навіть при перпендикулярному падінні променя. При цьому один з них є продовженням початкового променя, а другий відхиляється. Перший називають звичайним (о), а другий не звичайним (е). В кристалі ісландського шпату є єдиний напрям, вздовж якого подвійне променезаломлення не спостерігається. Напрям в анізотропному кристалі, вдовж якого при продженні світла не відбувається подвійне променезаломлення, називається оптичною віссю кристал. Будь яка пряма паралельна цьому напряму є оптичною віссю кристала. Залежно від типу симетрії кристали поділяються на одноосні та двоосні, тобто мають одну або дві оптичні осі. Площина, що проходить через напрям променя світла і оптичну вісь називається головною площиню або головним перерізом кристала. Аналіз світла показує, що звичайний і незвичайний промені плоскополяризовані у взаємно перпендикулярних площинах. При цьому коливання світлового вектор в звичайному промені відбуваються перпендикулярно до головної площини, а в незвичайному – в головній площині (рис.5).

Рис.5

Неоднаковість заломлення звичайного і незвичайного променів вказує на неоднаковість для них показників заломлення. Звичайний промінь розповсюджується по всім напрямкам з однаковою швидкістю, бо коливання світлового векторв ньому завжди перпендикулярні до оптичної осі кристала, тому і показник заломлення n_o для нього є стала величина. Для звичайного променя закони заломлення світла виконуються. Тому такий промінь і називають звичайним. Для незвичайного променя кут між між напрямом коливань світлового вектора і оптичною віссю відрізняється від прямого і залежить від напряму променя, тому незвичайні промені розповсюджуються по різним напрямам з різними швидкостями, а значить показник заломлення n_e для них є змінною величиною, що залежить від напряму. Для незвичайного променя закон заломлення не виконується. Тому і назва його незвичайний промінь. Після виходу з кристалу звичайний і незвичайний промені, крім напряму поляризації, нічим не відрізняються. Для променів, які розповсюджуються вздовж оптичної осі . Тобто в одноосному кристалі вздовж оптичної осі існує лише одна швидкість розповсюдження світла.

Таким чином, відмінність в швидкостях і і обумовлюють явище подвійного променезаломлення в одноосних кристалах.

Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 24; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!