2. Дисперсия и поляризация света Краткая теория

Раздел физики, занимающийся изучением природы света, закономерностей его испускания, распространения и взаимодействия с веществом, называется оптикой. В волновой оптике рассматриваются оптические явления, в которых проявляется волновая природа света (например, явления поляризации, дисперсии, интерференции и дифракции). Так как свет представляет собой электромагнитные волны, то в основе волновой оптики лежат уравнения Максвелла и вытекающие из них соотношения для электромагнитных волн.

Переменное электромагнитное поле с любой частотой изменения со временем распространяется в вакууме с одной и той же скоростью с. Электромагнитная волна, колебания в которой происходят с одной строго постоянной частотой , называется монохроматической. Скорость распространения каждой волны будет зависеть от частоты. Явление зависимости показателя преломления от частоты падающего сета – носит название дисперсии света. Дисперсию света в среде называют нормальной, если с ростом частоты  абсолютный показатель преломления n среды также возрастает: (соответственно ). Такой характер зависимости n от  наблюдается в тех областях частот, для которых среда прозрачна. Например, обычное стекло прозрачно для видимого света и в этом интервале частот обладает нормальной дисперсией.

Дисперсию света в среде называют аномальной, если с ростом частоты  абсолютный показатель преломления n среды уменьшается: (соответственно ). Аномальная дисперсия наблюдается в области частот, соответствующих полосам интенсивного поглощения света веществом. Для стекла эти полосы находятся в ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра.

Из электромагнитной теории света вытекает непосредственно, что световые волны поперечны. Действительно, вся совокупность законов электромагнетизма и электромагнитной индукции, краткое математическое выражение которой заключено в уравнениях теории Максвелла, приводит к выводу, что изменение во времени электрической напряженности сопровождается появлением переменного магнитного поля , направленного перпендикулярно к вектору , и обратно. Такое переменное электромагнитное поле не остается неподвижным в пространстве, а распространяется со скоростью света вдоль линии, перпендикулярной к векторам и , образуя электромагнитные, в частности световые, волны. Таким образом, три вектора: , и скорость распространения волнового фронта (при распространении монохроматической волны, можно найти геометрическое место точек, находящихся в одной фазе, эта совокупность точек представляет собой поверхность, называемую фронтом волны) взаимно перпендикулярны и составляют правовинтовую систему, то есть электромагнитная волна поперечна. Обратимся к изучению явлений поляризации света, типичных для поперечных колебаний. Явление поляризации света, то есть выделение световых волн с определенной ориентацией электрического (и магнитного) вектора, имеет место при отражении или при преломлении света на границе двух изотропных диэлектриков. Этот способ поляризации был открыт Малюсом.

Колебания называются когерентными если: разность фаз колебаний сохраняется неизменной за время , достаточное для наблюдения; средняя энергия результирующего колебания отличается от суммы средних энергий исходных колебаний и может быть больше или меньше нее в зависимости от разности фаз.

Плоская волна называется линейно-поляризованной или плоскополяризованной, если электрический век­тор все время лежит в одной плоскости, в которой расположена также нормаль к фронту волны (рис. 2.1).

Рис. 2.1.

Изображение электромагнитной волны: ( - вектор напряженности электрического поля, - вектор напряженности магнитного поля)

ВЕКТОР НАПРЯЖЕНОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ)

Эта плоскость называется плоскостью коле­баний или плоскостью поляризации. От поляризованного света следует отличать естественный свет. В нем в каждый мо­мент времени векторы , , , хотя и оста­ются взаимно перпендикулярными, но на­правления векторов и беспорядочно изменяются с течением времени. Поэтому естественный свет обладает (статистически) осевой симметрией относительно направления его распространения. Для линейно поляризованного света такой симметрии нет. Его свойства в различных плоскостях, проходящих через направление нормали , различны. Среди этих плоскостей есть две избранные плоскости, в одной из которых лежит вектор , а в другой — век­тор . Осевая асимметрия сохраняется и для смеси естественного света с линейно поляризованным. Такой свет называется частично поляризованным.

Линейно поляризованный свет легко получить, пропустив естественный свет через пластинку турмалина, вырезанную параллельно его кристаллографической (оптической) оси. Турмалин сильно поглощает световые лучи, в которых электрический вектор перпендикулярен к оптической оси. Если же электрический вектор параллелен оси, то такие лучи проходят через турмалин почти без поглощения. Поэтому естественный свет, пройдя через пластинку турмалина, наполовину поглощается и становится линейно поля­ризованным с электрическим вектором, ориентированным парал­лельно оптической оси турмалина.

Таким же свойством обладают поляроиды, более удобные в обра­щении. Они представляют собой искусственно приготовляемые коллоидные пленки, служащие для получения поляризованного света. Наиболее распространенным материалом для приготовления поляроидов является герапатит, представляющий собой соедине­ние йода с хинином. Этот материал вводят в целлулоидную или желатиновую пленку. В ней ультрамикроскопические кристаллики герапатита каким-либо способом (обычно механически, например протаскиванием вязкой массы через узкую щель) ориентируются своими осями в одном и том же направлении. Полученная масса, подобно турмалину, действует как один кристалл и поглощает све­товые колебания, электрический вектор которых перпендикулярен к оптической оси. С другими способами получения поляризованного света мы познакомимся далее.

Всякий прибор, служащий для получения поляризованного света, называется поляризатором. Тот же прибор, применяемый для исследования поляризации света, называется анализатором. Таким образом, кристаллы турмалина или поля­роиды могут служить и поляризаторами, и анализаторами.

Допустим, что два кристалла турмали­на или два поляроида поставлены друг за другом, так что их оси и образуют между собой некоторый угол (рис. 2.2).

Рис. 2.2.

Схематическое изображение двух поляроидов поставленных друг за другом так, что их оси образуют между собой некоторый угол: ( - ось первого поляроида, - ось второго поляроида, - вектор напряженности электрического поля, который параллелен оси , -вектор напряженности электрического поля параллельный оси , - вектор напряженности электрического поля перпендикулярный )