Поляризация при отражении и преломлении

Пусть на черное зеркало ( в этом зеркале устранено отражение от второй поверхности) падает естественный свет. Световые колебания, как и любое колебание, происходящие в одной плоскости, можно разложить по правилу параллелограмма на два колебания, происходящие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Следовательно, естественный луч света мы можем представить как луч, в котором колебания происходят в 2–х взаимно перпендикулярных направлениях, например в плоскости чертежа (рис.3), которую считаем совпадающей с плоскостью падения (условно отмечаются черточками) и в плоскости, перпендикулярной чертежу (отмечаются точками). Эти два вида колебаний будут по разному отражаться от зеркала из диэлектрика. Колебания, происходящие в плоскости, перпендикулярной к плоскости падения, будут отражаться независимо от угла падения. Колебания, происходящие в плоскости падения, с увеличением угла падения будут отражаться все меньше и меньше, а все больше и больше будут преломляться. При некотором угле падения  = _пол все эти колебания будут только преломляться и поглощаться нижней черной поверхностью зеркала. Следовательно, отраженный луч будет полностью поляризован в плоскости падения.

Угол падения _пол, при котором отраженный луч полностью поляризован, называется у г л о м п о л н о й п о л я р и з а ц и и.

Аналогичное явление мы будем иметь, если вместо зеркала возьмем стопку стеклянных пластин. При падении света под углом полной поляризации преломленный луч будет частично поляризован, так как он содержит помимо колебаний, расположенных в плоскости падения, некоторое количество колебаний, расположенных в плоскости перпендикулярной к плоскости падения. Степень поляризации преломленного луча увеличивается с увеличением числа пластинок.

Угол полной поляризации _пол при отражении от данного вещества определяется из равенства называемого законом Брюстера: тангенс угла полной поляризации равен показателю преломления отражающего вещества.

tg пол = n, пол = Бр

(1)

где n – показатель преломления отражающего вещества.

При падении света под углом полной поляризации отраженный луч будет полностью поляризован. Плоскость колебаний поляризованного при отражении луча, т.е. плоскость колебаний вектора Е будет перпендикулярна плоскости падения.

Из закона Брюстера и закона преломления следует, что при падении луча на зеркало под углом полной поляризации, луч отраженный под углом полной поляризации и луч преломленный взаимно перпендикулярны.

Как и всякий поляризатор, зеркало в стопе пластинок могут служить не только поляризатором, но и анализатором.

Большей частью поляризованный свет получают путем преломления луча в кристаллах, обладающих двойным лучепреломлением.

Поляризация при двойном лучепреломлением

В природе существуют кристаллы (например исландский шпат), которые дают двойное преломление. Если смотреть через такой кристалл перпендикулярно к грани кристалла на предмет, то мы видим два изображения: одно неподвижное, а второе перемещается по мере вращения кристалла. Первое изображение называется о б ы к н о в е н н ы м , а второе н е о б ы к н о в е н н ы м. Это явление объясняется следующим образом. Кристаллы – тела анизотропные, их физические свойства, например скорость распространения световых колебаний, различны в различных направлениях. Но особенностью кристалла является то, что в нем можно выделить так называемую о п т и ч е с к у ю о с ь. Она характеризуется следующим: свойства кристалла одинаковы во всех тех направлениях, которые составляют с оптической осью кристалла равные углы. Это свойство справедливо для угла любой величины. Необходимо отметить, что оптическая ось не есть определенная линия, а только определенное направление. Плоскость, проходящая через падающий луч и оптическую ось кристалла, называется г л а в н ы м с е ч е н и е м кристалла.

Скорость распространения света в кристалле будет зависеть от угла  между направлением колебаний и направлением главной оси кристалла =().

Если луч света идет вдоль оптической оси кристалла, то все его колебания будут перпендикулярны к оптической оси (=90⁰) и, следовательно, будут распространяться с одной и той же скоростью. Луч в этом случае не раздваивается и двойного изображения не будет.

Пусть луч света падает на кристалл под некоторым углом  /рис.4/ к его оптической оси ОО. Разложим колебания в падающем луче на два взаимно перпендикулярных колебания: колебания, происходящие в плоскости главного сечения /плоскость чертежа/, и колебания, происходящие в плоскости, перпендикулярной главному сечению. Колебания, перпендикулярные к главному сечению кристалла/ на рис.4 обозначены точками/, будут распространяться в кристалле с той же скоростью, как и колебания луча, идущего вдоль оптической оси, так как при любом угле падения они составляют с осью кристалла угол 90⁰.

Колебания, расположенные в плоскости главного сечения кристалла/ на рис.4 обозначены черточками/, будут распространяться с другой скоростью, т.к. они составляют с осью кристалла другой угол, равный 90⁰ –.

По закону преломления:

n = =

где с – скорость распространения света в вакууме;

 – скорость распространения света в данной среде;

 – угол падения;  – угол преломления.

Так как скорость распространения колебаний в кристалле зависит от угла , т.е. =//, то колебания, перпендикулярные к главному сечению, и колебания, лежащие в плоскости главного сечения, будут распространяться в кристалле с различной скоростью и, следовательно, будут иметь различный показатель преломления Но при различном показателе преломления будут различны и углы преломления. В этом случае луч света раздваивается и дает двойное изображение. Лучи, колебания которых перпендикулярны к плоскости главного сечения, называются обыкновенными лучами, они дают неподвижное изображение. Лучи, колебания которых расположены в плоскости главного сечения, называются необыкновенными лучами. Они не подчиняются закону преломления /показатель преломления зависит от угла падения/ и дают подвижное изображение, так как с поворотом кристалла изменится показатель преломления, а вместе с ним изменится и угол преломления.

Лучи обыкновенные и необыкновенные являются одновременно лучами поляризованными: обыкновенный луч поляризован в плоскости главного сечения, а необыкновенный луч поляризован в плоскости, перпендикулярной к плоскости главного сечения. Плоскости поляризации обыкновенного и необыкновенного лучей взаимно перпендикулярны.

Наибольшее различие в скоростях распространения лучей имеет место при распространении в направлении, перпендикулярном к главной оптической оси кристалла.