Вопрос 10. Поляризация света.

ЕСТЕСТВЕННЫЙ И ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ

Согласно электро-магнитной теории Максвела, световые волны поперечны и происходят перпедикулярно направлению распространения волны. Из моментального снимка электро-магнитные волны =>, что колебания

вектора E вдоль волны распространяются в одной плоскости ZOX. Это плоскость – плоскость колебаний. Перпендикулярная ей плоскость XOY, в которой колеблются векторы H, условно называют

п лоскостью поляризации. В естественной волне, испускаемой естественными излучателями, колебания векторов E и H происходят вдоль всех возможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волны. Свет, в котором колебания вектора E происходит с одинаковой вероятностью вдоль всех направлений, перпендикулярных направлению распространения, называется естественным. Свет называется частично поляризованным, если векторы E колеблются вдоль всех направлений, но одно направление является преимущественным. Свет называется плоскополяризованным, если колебания вектора E происходит в одном направлении. Т.о. явление поляризации света – процесс выделения световых волн с одинаковой ориентацией вектора Е.

ЯВЛЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА ПРИ ОТРАЖЕНИИ И ПРЕЛОМЛЕНИИ НА ГРАНИЦЕ 2-Х ДИЭЛЕКТРИКОВ

Опыт показывает, что при падении света на границе 2-х прозрачных сред происходит частичная поляризация

отраженной волны в плоскость падения луча, => вектор E в отраженной волне колеблется в плоскости падения.

Преломленная волна при этом частично поляризуется в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Такие

колебания обозначим стрелочками (см. на рисунке – 3 стрелки). В падающей волне естественного света колебания вектора E всегда можно разложить на 2 взаимно перпендикулярных направления: направлении плоскости падения и перпендикуляром плоскости падения. Если выполняется условие, что tgiБ = n2/n1=n21 (1), то отраженная волна полностью поляризуется в плоскости падения луча, а преломленная волна максимально частично в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, (1) – закон Брюстера. Можно

доказать, что при выполнении (1) отраженные и преломленные волны параллельны, т.е. γ=π/2; siniБ/cosiБ=n2/n1; cosiБ+sinr=π/2; γ=π/2.

Двойно́е лучепреломле́ние — эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие. Впервые обнаружен на кристалле исландского шпата. Если луч света падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то на этой поверхности он расщепляется на два луча. Первый луч продолжает распространяться прямо, и называется обыкновенным (o — ordinary), второй же отклоняется в сторону, нарушая обычный закон преломления света, и называется необыкновенным (e — extraordinary).

Направление колебания вектора электрического поля необыкновенного луча лежит в плоскости главного сечения (плоскости, проходящей через луч и оптическую ось кристалла). Оптическая ось кристалла - направление в оптически анизотропном кристалле, по которому луч света распространяется, не испытывая двойного лучепреломления.

Нарушение закона преломления света необыкновенным лучом связанно с тем, что скорость распространения света (а значит и показатель преломления) волн с такой поляризацией, как у необыкновенного луча, зависит от направления. Для обыкновенной волны скорость распространения одинакова во всех направлениях.

Можно подобрать условия, при которых обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются по одной траектории, но с разными скоростями. Тогда наблюдается эффект изменения поляризации. Например, линейно поляризованный свет, падающий на пластинку можно представить в виде двух составляющих (обыкновенной и необыкновенной волн), двигающихся с разными скоростями. Из-за разности скоростей этих двух составляющих, на выходе из кристалла между ними будет некоторая разность фаз, и в зависимости от этой разности свет на выходе будет иметь разные поляризации. Если толщина пластинки такова, что на выходе из неё один луч на четверть волны (четверть периода) отстаёт от другого, то поляризация превратится в круговую (такая пластинка называется четвертьволновой), если один луч от другого отстанет на пол волны, то свет останется линейно поляризованным, но плоскость поляризации повернётся на некоторый угол, значение которого зависит от угла между плоскостью поляризации падающего луча и плоскостью главного сечения (такая пластинка называется полуволновой).

Качественно явление можно объяснить следующим образом. Из уравнений Максвелла для материальной среды следует, что фазовая скорость света в среде обратно пропорциональна величине диэлектрической проницаемости ε среды. В некоторых кристаллах диэлектрическая проницаемость — тензорная величина — зависит от направления электрического вектора, то есть от состояния поляризации волны, поэтому и фазовая скорость волны будет зависеть от ее поляризации.

Согласно классической теории света, возникновение эффекта связанно с тем, что переменное электромагнитное поле света заставляет колебаться электроны вещества, и эти колебания влияют на распространение света в среде, а в некоторых веществах заставить электроны колебаться проще в некоторых определённых направлениях.

Помимо кристаллов двойное лучепреломление наблюдается и в изотропных средах, помещённых в электрическое поле (эффект Керра), в магнитное поле (эффект Коттона — Мутона, эффект Фарадея), под действием механических напряжений (фотоупругость). Под действием этих факторов изначально изотропная среда меняет свои свойства и становится анизотропной. В этих случаях оптическая ось среды совпадает с направлением электрического поля, магнитного поля, направлением приложения силы.

• Отрицательные кристаллы — одноосные кристаллы, в которых скорость распространения обыкновенного луча света меньше, чем скорость распространения необыкновенного луча. В кристаллографии Отрицательными кристаллами называют также жидкие включения в кристаллах, имеющие ту же форму, что и сам кристалл.

• Положительные кристаллы — одноосные кристаллы, в которых скорость распространения обыкновенного луча света больше, чем скорость распространения необыкновенного луча

ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ - свойство некоторых веществ вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоско поляризованного света. Оптически активные вещества бывают двух типов. У веществ первого типа (сахар, камфора, винная кислота) оптическая активность не зависит от агрегатного состояния и обусловлена несимметричным строением молекул. Вещества второго типа (кварц, киноварь) оптически активны только в кристаллическом состоянии, что связано с асимметрией сил, связывающих молекулы и ионы в кристаллической решетке. Искусственная (наведенная) оптическая активность возникает в магнитном поле.