Закон малюса (1810 г.):

Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световых колебаний.

В первые годы 19-го столетия французский военный инженер Этьен Малюс (1775 – 1812), а точнее в 1808 г. обнаружил, что свет, отраженный от воды под углом 52⁰45’, обладает тем же свойством, что и свет, прошедший через кристалл исландского шпата, причем отражающая поверхность как бы является главным сечением кристалла.

В 1810 г. он опубликовал «Теорию двойного лучепреломления света в кристаллических веществах». В ней Малюс описывает свое открытие и найденный им закон.

Свет, в котором корпускулы имеют определенную ориентацию, Малюс назвал поляризованным и это слово осталось в физике до наших дней.

Таким образом, поворот пластинки Т₂ вокруг поляризованного луча сопровождается изменением интенсивности света, прошедшего через эту пластинку. Максимум интенсивности наблюдается при α = 0⁰, минимум (соответствующий полному гашению света) – при α = 90⁰.

Пластинка турмалина Т₁, поляризующая естественный свет, называется поляризатором, а пластинка Т₂, из-за которой изменяется интенсивность поляризуемого света – анализатором.

Вопрос 3. Поляризация света при его отражении и преломлении. Закон Брюстера Поляризация света при его отражении и приломлении

Опыт показывает, то при отражении и преломлении света на границе раздела двух пограничных диэлектриков, поляризуется как отраженный, так и преломленный лучи. Но характер поляризации различен: отраженный свет поляризуется преимущественно в плоскости, перпендикулярной плоскости падения( ), а преломленный свет поляризуется преимущественно в плоскости падения( ). Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления Частичная поляризация показана на рис. 8:

рис.8

Закон брюстера(1815г.):

Если угол падения удовлетворяет условию:

(2)

то отраженный луч полностью поляризован, а преломленный только частично. (рис. 9)

рис.9

здесь n₂₁ – относительный показатель преломления двух сред, а угол падения α_{Б –} угол Брюстера.

Угол Брюстера называют иногда углом полной поляризации.

Таким образом, граница двух диэлектриков или диэлектрика и вакуума является поляризатором.

В качестве поляризатора используют стопу стеклянных пластинок.

Установлено, что угол α_Б вместе с соответствующим ему углом преломления γ составляет в сумме 90⁰, т.е.:

Используя закон преломления, получим:

или:

отсюда:

Подставим в формулу :

или - закон Брюстера

Вопрос 4. Двойное лучепреломление. Поляроиды

Нами отмечалось выше, что существуют анизотропные вещества, оптические свойства которых по различным направлениям различны.

К таким материалам можно отнести кристаллы исландского шпата и кварца.

Известно, что колебания вектора Е происходят по всем направлениям. А так как свойства кристалла в разных направлениях различны, то колебания в различных плоскостях происходят не одинаково, возникают как бы лучи с разным значением Е – на границе раздела двух сред они преломляются различно, т.е. фактически имеют разные показатели преломления. Электрические колебания одного из этих лучей, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, перпендикулярных главной плоскости кристалла – обыкновенный луч, обозначается буквой – О (рис. 10)

рис.10

Электрические колебания другого луча совершаются в главной плоскости (рис.11) – необыкновенный луч – е

рис.11

Для обыкновенного луча выполняются законы преломления, для необыкновенного – нет.

Обыкновенные лучи распространяются по всем направлениям с одинаковой скоростью (С₀ = const) и, следовательно, n₀ = C/C₀ = const, где С – скорость света.

У необыкновенного луча: С_е ≠ const и n_e = C/C_e ≠ const.

Из-за различия показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей эти лучи претерпевают в кристалле неодинаковое преломление; они разделяются (раздваиваются) и идут в нескольких различных направлениях – явление двойного лучепреломления.

Двойное лучепреломление отсутствует вдоль оптической оси кристалла. Если такое направление одно, то кристаллы называют – одноосными (к ним относят СаСО₃ – исландский шпат, кварц, турмалин и др.)

Турмалин и пленка поляроида сильно поглощают обыкновенный луч, поэтому через 1 мм турмалина и 0,1 мм поляроида проходит только один поляризованный луч – необыкновенный. Некоторые кристаллы с двойным лучепреломлением по – разному поглощают свет в зависимости от направления электрического вектора в кристалле (дихроизм поглощения).

Дихроизм (от греч. dichroos - двухцветный) – различная окраска одноосных кристаллов в проходящем белом свете при наблюдении вдоль оптической оси и перпендикулярно ей. Примером кристалла с сильной дихроичностью является турмалин.

Иначе обстоит дело при поляризации света в кристалле исландского шпата.

Кристаллы, полученные из исландского шпата, имеют обычно форму ромбоэдра – шестигранника, все грани которого являются ромбами с тупым углом 102⁰ (рис. 12)

рис.12

Короткая диагональ О₁О₂ ромбоэдра является направлением оптических осей исландского шпата.

На рис. 13 показан ход лучей при двойном лучепреломлении в кристалле исландского шпата.

рис.13

Показатель преломления n₀ > n_е; например при прохождении через кристалл желтого света (λ = 0,589 мкм) n₀ = 1,658, а переменное значение n_е = 1,658÷1,486.

Первое значение n_е в направлении оптической оси, второе значение n_е – в перпендикулярном направлении оптической оси.

Исландский шпат широко используют в качестве поляризатора и анализатора во многих оптических приборах. Для этого из шпата изготавливают поляризационную призму, пропускающую только один сорт поляризованных лучей (например – е – лучи, т.е. необыкновенные)

Почему же в этом качестве не используют двоякопреломляющие кристаллы? Дело в том, что пучки обыкновенных и необыкновенных лучей выходят из кристалла под очень малым углом друг к другу или даже перекрываются. Чтобы «развести» лучи, пользуются различными поляризующими призмами. Наиболее распространенной поляризационной призмой является призма Николя. (Изобретена в 1828 г. англ. физиком У.Николем)

Для ее изготовления торцевые грани продолговатой четырехгранной призмы, выколотой из куска шпата по плоскостям спайности, т.е. параллельным граням ромбоэдра, сошлифовывают так, чтобы они составляли с ребрами острый угол 78⁰(рис.14)

Канадский бальзам

Главная

68^o

Естественный е

68^o

48^o

луч

Оптическая ось

плоскость

рис.14

Затем призму распиливают на 2 части вдоль плоскости, перпендикулярной торцевым граням и главной плоскости. Отшлифовав поверхности распила, их называют канадским бальзамом. (клей из смолы канадской пихты с n = 1,550). Показатель преломления канадского бальзама меньше n₀, но больше n_е. Следовательно, для обыкновенного луча канадский бальзам является средой оптически более плотной, а для необыкновенного луча – менее плотной, чем исландский шпат. Поэтому обыкновенный луч, падающий на бальзам под углом большим предельного, испытывает полное отражение, а необыкновенный луч при любых углах падения проходит через этот слой пихтового клея, почти не отклоняясь от первоначального направления.

В то же время обыкновенный луч, претерпев полное отражение от слоя бальзама, поглощается зачерненной поверхностью основания призмы АВ.

Таким образом, сквозь призму Николя проходит только один поляризованный луч (необыкновенный) с электрическими колебаниями в главной плоскости призмы.

В последние годы для поляризации света широко применяются поляроиды (поляризационные фильтры).

Поляроид представляет собой прозрачную полимерную пленку толщиной около 0,1 мм, содержащую множество мелких искусственных кристалликов герапатита(сульфат йодистого хинина). Оптические оси всех кристалликов герапатита ориентируется в одном направлении в процессе изготовления поляроида. Поляроидная пленка сравнительно недорога, весьма эластична, имеет большую площадь, обладает почти одинаковым (не значительным) поглощением для всех волн видимого света.