A. Поляризация света
Поляризация света. Закон Малюса
Как отмечалось выше, свет — это поперечная электромагнитная волна: векторы напряженности \(\vec E\) электрического поля и индукции \(\vec B\) магнитного поля волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости \(\vec \upsilon\) распространения волны. Поперечность световых волн нарушает их осевую симметрию относительно направления распространения, т.е. световая волна имеет поперечную анизотропию. Физической характеристикой поперечной анизотропии является их поляризация. Плоскость, в которой происходят колебания вектора \(\vec E\) , называется плоскостью колебаний, а плоскость, в которой происходят колебания вектора \(\vec B,\) — плоскостью поляризации.
Свет, излучаемый каким-то источником, представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными направлениями колебаний светового вектора \(\vec E\) (рис. 17.24, а). Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора \(\vec E\) относительно оси распространения называется естественным (неполяризованным). Свет, в котором наблюдается преимущественное направление колебаний вектора \(\vec E\) (но не исключительное!) (рис. 17.24, б), — частично поляризованный. Свет, в котором вектор \(\vec E\) колеблется в определенной плоскости (рис. 17.24, в), называется поляризованным (линейно поляризованным). Частично поляризованный свет представляет собой сочетание естественного и линейно поляризованного света. Под поляризацией света понимают выделение из естественного света световых колебаний с определенным направлением электрического вектора.
Наблюдения показывают, что причины поляризации света могут быть различными, но наиболее часто поляризация происходит в трех случаях: а) при прохождении света через некоторые кристаллы (например, турмалин); б) при отражении и преломлении света на границе раздела двух диэлектриков; в) при двойном лучепреломлении света.
1. Если направить естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина T1 (рис. 17.25), вырезанной параллельно оптической оси OO' (направление в кристалле, относительно которого атомы кристаллической решетки расположены симметрично), и вращать кристалл T1 вокруг направления луча, то никаких изменений интенсивности прошедшего через турмалин света не наблюдается. Если на пути луча поставить вторую пластинку турмалина Т2 и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла а между оптическими осями кристаллов по закону Малюса:
где \(~I_0\) и \(~I\) — соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него.
Результаты опытов можно объяснить так: первая пластинка турмалина пропускает колебания только определенного направления (на рис. 17.25 это направление показано стрелкой АВ), т.е. преобразует естественный свет в плоскополяризованный (поэтому эту пластинку называют поляризатором). Колебания, вектор \(\vec E\) которых перпендикулярен оптической оси, пластинка практически не пропускает — волна сильно поглощается. Зависимость показателя поглощения вещества от направления колебаний вектора \(\vec E\) называется дихроизмом. Вторая же пластинка турмалина в зависимости от ее ориентации из поляризованного света пропускает большую или меньшую его часть, которая соответствует компоненте \(\vec E,\) параллельной оси второй пластинки турмалина. Из рисунка 17.26 видно, что
Отсюда следует, что \(E^2 = E^2_0 \cos^2 \alpha.\) Так как интенсивность света пропорциональна квадрату напряженности электрического поля\[I \sim E^2\] то \(I = I_0 \cos^2 \alpha.\) Последнее выражение и представляет собой закон Малюса.
Пластинка Т2, служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором.
Поляризатор по своей конструкции ничем не отличается от анализатора. Разница в функциях: поляризатор выделяет из естественного света пучок с одним направлением колебаний вектора \(\vec E,\) а анализатор определяет, каково направление этих колебаний. Именно поэтому поляризаторы и анализаторы носят общее название поляроиды.
2. Опыт показывает, что при отражении и преломлении света на границе раздела двух диэлектриков поляризуются и отраженный, и преломленный лучи. Характер же их поляризации различен: отраженный свет поляризуется преимущественно в плоскости, перпендикулярной плоскости падения (на рис. 17.27 они обозначены точками), а преломленный свет поляризуется преимущественно в плоскости падения (на рис. 17.27 эти колебания изображены стрелками). Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления. Д. Брюстер установил, что существует такой угол падения \(~\alpha\)Б, при котором отраженный свет становится полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Поэтому угол \(~\alpha\)Б называют углом полной поляризации (или углом Брюстера). Установлено, что угол \(~\alpha\)Б вместе с соответствующим ему углом преломления \(~\beta\) составляет в сумме 90°, т.е.
Используя закон преломления, получим
Преломленный луч при угле падения \(~\alpha\)Б поляризуется максимально, но не полностью.
3. Явление двойного лучепреломления, т.е. раздваивания каждого падающего на двоякопреломляющий кристалл светового пучка, наблюдается при переходе света из изотропной среды в анизотропную.
Это явление впервые обнаружил у исландского шпата (кальцита СаСO3) Э. Бартолин. Если на толстый кристалл исландского шпата направить вдоль его оптической оси узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу (рис. 17.28). Даже в том случае, когда первичный пучок падает на кристалл нормально, преломленный пучок разделяется на два (рис. 17.29), причем один из них является продолжением первичного (обыкновенный луч — о), а второй отклоняется (необыкновенный луч — е). Вышедшие из кристалла лучи плоскополяризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях: обыкновенный луч в плоскости, перпендикулярной главному сечению кристалла, необыкновенный луч — в главной плоскости. Обыкновенный луч подчиняется закону преломления, а для необыкновенного луча этот закон не выполняется: показатель преломления необыкновенного луча является переменной величиной, зависящей от угла падения. После выхода из кристалла, если не принимать во внимание поляризацию во взаимно перпендикулярных плоскостях, эти два луча ничем друг от друга не отличаются.
Явление поляризации света имеет большое практическое применение
В машиностроении и строительной индустрии явление поляризации света используют для исследования напряжений, возникающих в узлах машин и строительных конструкций. В фотографии поляризационные светофильтры применяются для гашения бликов, возникающих при зеркальном отражении света от фотографируемых объектов. Используя явление поляризации, можно плавно регулировать интенсивность светового излучения. Для этого перед источником света ставят поляризатор и анализатор, относительным поворотом которых достигают необходимого эффекта.
Явление поляризации света применяют также в декоративных целях: при оформлении витрин, устройстве театральных декораций и т.д.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 521-524.
