Файл: Жевандров, Н. Д. Анизотропия и оптика.pdf

источниках света (кроме лазеров) между собой никак ие согласованы. Поэтому не только между лучами от раз­ ных источников, но н между лучами от разных точек од­ ного источника света нс может быть постоянной разно­ сти фаз.

В каждый момент времени в какой-то точке освещен­ ного экрана волны совпадают по фазе, усиливают друг друга и дают большую освещенность. В каких-то других точках, где волны встречаются в противоположных фа­ зах (т. е. со сдвигом фаз па полиернода), опп друг друга ослабляют (пли даже полностью гасят, если пх амплиту­ ды равны) и дают минимальную освещенность. Следова­ тельно, в данный момент на экране образуется определен­ ная интерференционная картина распределения ярко и слабо освещенных мест (определяемая геометрическим расположением экрана и источников). Но уже в следую­ щий момент (через миллиардную долю секунды) карти­ на будет совсем другой, а еще через мгновение — опять иной и т. д. Поэтому при любом способе наблюдения (ви­ зуальном, фотографическом, фотоэлектрическом) мы за­ фиксируем равномерную освещенность всего экрана.

Стабильную интерференционную картину можно по­ лучить, если один пучок света от одной светящейся точки разделить на два (с помощью зеркала, призмы и т. п.), а затем вновь свести эти лучи на один экран.

Пройдя разные пути, лучи наберут определенную раз­ ность фаз. Она и будет оцределять интерференционную картину. Лучи, разность фаз между которыми постоянна, называются когерентными. Чтобы условие когерентности могло соблюдаться, длины волн этих лучей должны быть одинаковыми. На рис. 56 показано получение интерферен­ ционной картины на участке АВ экрана Э от когерентных мнимых источников и S2, образованных с помощью двой­ ного зеркала 3¡32 из реального источника S. Светлые и темные интерференционные полосы на экране — это гео­ метрические места точек, разность расстояний от которых до Si и S2 составляет целое число волн rik (для светлых по­ лос) и нечетное число полуволн ?гХ+Х/2 (для темных по­ лос) . Все эти полосы будут гиперболами. Светлые полосы для разных À смещены одна относительно другой — интер­ ференционная картина состоит из окрашенных полос. Ис­ ключение составляет только центральная полоса — прямая и белая.

Существует много способов получения когерентных лучей от одного источника. Очепь часто встречается в природе, например интерференционная картина, образо­ ванная лучами, отраженными от верхней и нижней по­ верхностен тонких пленок. Всем известные радужные полосы на поверхности луж, покрытых пленкой мазута, нефти илп керосина, представляют собой именно такие ин­ терференционные картины. Лучи, образованные расщепленпем падающего луча в кристаллах, тоже когереитпы.

Кроме когерентности очень важно н состояние поляризации интерферирующих лучей. Мы но существу молчаливо предпола­ гали, что они линейно поляри­ зованы в одной плоскости. Действительно, в общем случае это условие выполняется в ко­ герентных лучах. В каждом элементарном акте излучается поляризованный свет. Посколь­ ку интерферируют лучп от од­ ного источника, излученные в одних и тех же элементарных актах, то они в каждый момент

оба когерентных естественных луча поляризовать в одной плоскости с помощью николей или любым другим спо­ собом.

Если же два когерентных луча линейно поляризовать во взаимно перпендикулярных плоскостях, то при встре­ че они не создадут интерференционной картипы. Именно, так происходит в результате двойного преломления луча в кристаллической пластинке. И в одноосных п в двуос­ ных кристаллах расщепленные лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Это, конечно, не единственный способ получения когерентных и взаим­ но перпендикулярно поляризованных колебаний. Доста­

138

точно поставить па пути любой пары когерентных лучей два николя, ориентированных один относительно друго­ го под углом 90°, чтобы получить тот же результат — от­ сутствие интерференционной картины и аддитивное сло­ жение освещенностей. Стоит повернуть один нз ннколей па 90°, как интерференционная картина восстанавливается.

Впервые эти закономерности установили в начале XIX в. Aparo и Френель. Принципиальное значение опы­ тов состояло тогда в том, что они однозначно доказывали строгую поперечность световых волн и полное отсутствие продольной компоненты. В самом деле, если при взаим­

теоремы Пифагора), если колебания строго перпендику­ лярны направлению их распространения.

Что получается при сложении когерентных и взаимно перпендикулярно поляризованных световых волн, мы уже знаем. В зависимости от величины сдвига фаз между ними мы получим циркулярнопли эллиптически-поляри- зованный свет.

Анализ поляризованного света

При обычном анализе поляризовапного света с помощью одного ииколя-анализатора невозможно отличить свет, поляризованный по кругу, от естественного или же эллип- тичѳски-поляризованный От частично линейно-поляризо­ ванного. В обоих вариантах первого случая интенсивность света при вращении ннколя-анализатора не меняется. Точ­ но так же наличие двух максимумов и двух минимумов ин­ тенсивности за один полный оборот ннколя-анализатора имеет место в обоих вариантах второго случая.

Чтобы различить эти варианты, необходимо дополни­ тельно пользоваться теми же устройствами, с помощью которых получается циркулярноили эллиптлчески-поля- ризоваиный свет, т. е. фазовыми пластинками. Для полного анализа поляризованного света достаточно использование кроме ннколя-анализатора одной пластинки в четверть волны. Дело в том, что пластинка À/4 превращает цирку­ лярный свет в линейный так же, как линейный — в цирку­ лярный (очевидно, что две пластинки Х/4 тождественны одной пластинке Х/2). Циркулярный свет может быть пре­

6* 139

образован в лпнейный с помощью пластипкп À/4, а есте­ ственный — но может. Это различие легко определяется па опыте. Частично линейно-поляризованный свет от эллнптп- ческн-ноляризовапного отличается тем, что в первом случае прп введении перед ппколем-апалпзатором пластинки À/4 пе изменятся углы ориентации анализатора, при которых получаются максимум и минимум интенсивности. Во вто­ ром случае максимуму п минимуму интенсивности с пла­ стинкой п без пластинки À./4 соответствуют различные по­ ложения анализатора. Чтобы это ясно попять, следует вспомнить, что любая эллиптическая поляризация может быть получена из двух линейных когерентных компонент двумя способами: за счет изменения разности фаз прп раз­ ных амплитудах компонент пли за счет изменения разни­ цы амплитуд при постоянном сдвиге фаз л/2 (а это мож­ но обнаружить с помощью той же фазовой пластинки

À/4).

На этпх общих соображениях построен метод, исполь­ зуемый иа практике для обіцего анализа любого поляри­ зованного света. На пути исследуемого светового пучка помещается п медленно вращается ииколь-апализатор. По изменению освещенности прп вращении можно сделать однозначные выводы:

'1. Если интенсивность ие пзмепяется пи с пластинкой Х/4, ип без нее, свет естественный.

2.Если без пластипкп Ä/4 интенсивность не меняется,

апри наличии пластипкп появляются максимумы и мини­ мумы, то свет поляризовап по кругу. При этом если в ми­ нимуме интенсивность равна нулю, то свет полностью поляризован по кругу, а если ие равна нулю, то частично поляризован по кругу, т. е. его следует (подобно частично линейно-поляризованному) считать наложением двух

пучков — естественного и поляризованного по кругу.

3.Если без пластипкп À/4 интенсивность меняется от пуля до некоторого максимума, свет полностью линейнополяризоваиный.

4.Еслп же в минимуме интенсивность не нуль, то могут быть два случая:

а) помещение перед апализатором пластпики %/4, ориентированной так, чтобы ее главпые направления 1 сов­

ного лучей в пластинке.

140

етп, приводят к тому, что при некотором положении ана­ лизатора, не совпадающем с азимутом прежнего миниму­ ма, интенсивность становится нулем.

В этом случае свет полностью эллиптически поляри­ зован;

б) если же при введении пластиикп À/4 интенсивность не становится нулем пи при каком азимуте анализатора, то тут снова могут быть два случая:

61) введение пластинки Ѵ4 не вносит никаких изме­ нений в азимуты анализатора, соответствующие макси­ муму и минимуму. Это значит, что свет частично линейно поляризован;

62) введение пластинки Ѵ4 приводит к изменениям в положениях анализатора, при которых получаются мак­ симум и минимум. Свет частично эллиптически поляри­ зован.

Перечисленные результаты исчерпывают все возмож­ ные случаи поляризации светового пучка п поэтому в совокупности дают метод полного качественного анали­ за состояния поляризации.

Поляризационная микроструктура естественного света

Обратимся вновь к опыту, в котором мы с помощью од­ ноосной кристаллической пластинки получали цирку­ лярноили эллиптически-поляризованный свет (рис. 57). Пластинка П вырезана параллельно оптической оси, на­ правленной в нашем опыте вертикально. Николь N¡ ори­ ентирован под углом 45° к вертикали. Следовательно, обыкновенная и необыкновенная волны в пластинке име­ ют равные амплитуды. Разность фаз между ними зави­ сит от материала и толщины пластинки. В зависимости от величины этой разности мы получим на выходе из пластинки эллиптическиили циркулярно-поляризован­ ную волну, анализ которой можно провести по только что изложенному способу.

Если после пластинки поставить пиколь-аиалпзатор Nz, который сведет поляризацию обыкновенного и необык­ новенного лучей в одпу плоскость, мы получпм когерент­ ные и одинаково поляризованные лучи, т. е. все условия для возникновения интерференционной картины. Займем-

141

ся анализом ролп ппколя-полярпзатора N¡. Опыт, впервые проведенный Фрепелем, показывает, что если убрать пиколь TV,, то после N2 па экране ие получится интерфе­ ренционной картины. На первый взгляд это кажется парадоксальным: лучи когерентны (ибо идут от одного источника), поляризованы в одной плоскости, а интерфе­ ренционной картпиы ие дают.

При отсутствии ппколя-аиализатора /Ѵ2 в этом случае на выходе пз пластппкп свет ие становится циркуляриоилп эллпптпческп-поляризоваиным, он остается естествен­ ным.

Рпс. 57. Схема установки для исследования роли поляризации в интерференции

Стрелка показывает направление оптической осп

В основе объяснения этих фактов лежит то обстоя­ тельство, что любые взаимно перпендикулярные поляри­ зованные компоненты, совокупностью которых мы пред­ ставляем естественный свет, между собой иекогерентны. В самом деле, пусть ОА (рис. 58) — мгновенное направ­ ление вектора Е в пучке естественного света. В результа­ те двойного преломления этот вектор раскладывается по двум взаимно перпендикулярным направлениям ОХ и OY. Так как направление ОА в естественном свете хаотически меняется (0Л|, ОА2 и т. д.), так же беспорядочно меня­ ются и компоненты ОХ и OY, принимая любые положи­ тельные и отрицательные значения. В результате они утрачивают постоянство разности фаз и становятся некогереитпыми. Еслп же направление ОА постоянно (свет до падения на кристаллическую пластинку поляризуется николем ТѴі), то обе компоненты ОХ и OY при любых фазовых изменениях вектора Е меняются синхронно, ни­ какого добавочного изменения фазы между ними не воз­ никает, п они остаются когерентными.

Теперь становится понятным смысл эксперименталь­ ных результатов, полученных для когерентных лучей.

142