Kvant. Поляризация света
Варламов А.А. Поляризация света //Квант. — 1987. — № 1. — С. 34-36.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Возвращавшиеся из Исландии моряки часто привозили необычные прозрачные камни — кристаллы известкового шпата. Эти камни, позже их стали называть исландским шпатом, были весьма замечательны по своей форме и другим свойствам, но главным образом — своими особенностями преломления света. Так, например, если кусок исландского шпата положить на какую-нибудь надпись, то сквозь него можно увидеть надпись раздвоенной (рис. 1).
В 1669 году датский ученый Э. Бартолин сообщил интересные результаты своих опытов с этими кристаллами. Оказалось, что при прохождении сквозь такой кристалл луч света расщепляется на два — теперь их называют обыкновенным и необыкновенным лучами. Названия лучей оправданы: обыкновенный луч ведет себя так, как это соответствует известным законам преломления света, а необыкновенный луч как бы нарушает эти законы. В частности, когда падающий луч перпендикулярен поверхности кристалла, первый луч проходит сквозь кристалл непрелом- ленным, второй же испытывает преломление (рис. 2).
Бартолин провел тщательные исследования открытого им явления двойного лучепреломления и обнаружил дополнительно, что в кристалле существует некоторое направление, вдоль которого падающий луч не раздваивается. Однако объяснения всем этим фактам он найти не смог.
Несколько лет спустя открытие Бартолина привлекло к себе внимание нидерландского ученого X. Гюйгенса. Повторив опыты Бартолина, он идет дальше, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй точно такой же кристалл. Для объяснения результатов опытов Гюйгенс вводит понятие оптической оси кристалла (которую фактически уже обнаружил ранее Бартолин). Ею он называет выделенное направление в кристалле, вдоль которого обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются не разделяясь.
Опыты Гюйгенса показали, что в случае, когда оптические оси обоих кристаллов параллельны и луч света падает под прямым углом к передней грани первого кристалла, то при входе во второй кристалл обыкновенный и необыкновенный лучи не претерпевают разделения на два (рис. 3). В других случаях оба луча, вышедшие из первого кристалла, во втором кристалле опять могут разделиться. При этом интенсивность каждого из четырех лучей в сильной степени зависит от угла между оптическими осями кристаллов.
Анализируя результаты опытов, Гюйгенс, придерживавшийся волновой теории света, пришел к выводу, что обыкновенному и необыкновенному лучам соответствуют различные скорости распространения в исследуемом кристалле. Однако Гюйгенс исходил из аналогии между звуковыми и световыми волнами и считал последние, как и первые, продольными. Это заблуждение не позволило ему объяснить некоторые особенности проведенных опытов.
Спустя более чем сто лет, в 1808 году, французский физик Э. Малюс обнаружил двойное лучепреломление при отражении света. Глядя сквозь кристалл исландского шпата на отражение заходящего солнца в окнах Люксембургского дворца в Париже, Малюс к своему удивлению заметил, что два изображения, возникающих в результате двойного лучепреломления, имели различную яркость. В частности, при некотором положении кристалла было видно только одно изображение.
На основании этого и других опытов и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, Малюс предположил, что корпускулы, которые, по Ньютону, имеют внешнее сходство с магнитиками, обладающими полюсами, в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или после прохождения сквозь кристалл они приобретают определенную ориентацию. Такой «упорядоченный» свет он назвал поляризованным.
Сегодня нам хорошо известно, что видимый свет представляет собой поперечные электромагнитные волны. При распространении электромагнитной волны в пространстве в нем совершают колебания вектор напряженности электрического поля \(~\vec E\) и вектор индукции магнитного поля \(~\vec B\). Эти векторы всегда взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Свет, в котором направления колебаний упорядочены каким-либо образом, называют поляризованным. Если колебания вектора \(~\vec E\) все время происходят в одной плоскости, то говорят, что свет плоскополяризованный (или линейно поляризованный), а саму эту плоскость называют плоскостью поляризации.
Свет, излученный одним атомом, поляризован всегда. Однако излучение макроскопического тела (Солнца, электрической лампочки и т. п.) является суммой излучений огромного числа атомов. Каждый из них излучает световую волну на протяжении примерно 10-8 с, и если все атомы будут излучать свет с различной поляризацией, то поляризация всего пучка будет меняться на протяжении таких же промежутков времени. Поэтому в естественном свете все эффекты, связанные с поляризацией, усредняются, и такой свет называют неполяризованным. Для выделения из неполяризованного света «части», обладающей желаемой поляризацией, используют так называемые, поляризаторы. В их роли может выступать тот же кристалл исландского шпата, из которого обыкновенный и необыкновенный лучи выходят плоскополяризованными во взаимно перпендикулярных плоскостях, а также искусственные поляризаторы.
Разберем принцип действия этого прибора на известном вам примере поляризатора для электромагнитных волн сантиметрового диапазона (см. «Физику 10», § 47). Он выполнен в виде ряда параллельных металлических прутьев, сделанных из хорошего проводника. При падении на решетку электромагнитной волны (с длиной, сравнимой с расстоянием между прутьями) составляющая электрического поля, параллельная Прутьям, сильно затухает, так как под ее воздействием в прутьях возникает электрический ток, что приводит к потерям энергии на джоулево тепло. Кроме того, происходит частичное отражение волны от решетки. В результате параллельная составляющая волны через решетку фактически не проходит. Перпендикулярная же прутьям составляющая электрического поля проходит через такой поляризатор, практически не затухая.
В 1932 году группа американских ученых изобрела оптический поляризатор, который оказывает на световые волны действие, аналогичное описанному выше. Для изготовления такого поляризатора было выбрано вещество, состоящее из длинных углеводородных цепей. Затем его растянули, чтобы молекулы выстроились вдоль направления растяжения, и опустили в раствор йода. Молекулы йода «прикрепились» к углеводородным цепям и отдали им электроны, свободно перемещающиеся вдоль нитей. Образовалась как бы та же «проволочная ограда». При падении электромагнитной волны ее составляющая, параллельная нитям, затухает, так как полю приходится совершать работу (разгоняя электроны вдоль нитей). Поскольку «ограда» оказывается достаточно «частой» даже для световых волн (длины которых составляют доли микрометра), такой поляризатор поглощает свет, поляризованный параллельно нитям, и пропускает излучение, поляризованное перпендикулярно ориентации нитей.
В заключение предлагаем вам самостоятельно объяснить описанные раньше опыты по двойному лучепреломлению света.
