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

Глава ПІ

АНИЗОТРОПИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЕТА СО СРЕДОЙ

Методы экспериментального превращения естественного света в поляризованный н изменения типа поляризации могут быть основаны на любых оптических явлениях, при которых свет так или иначе поляризуется или меняет по­ ляризацию. Такие явления довольно многочисленны и раз­ нообразны. Наиболее известны отражение и преломление на границе изотропных диэлектриков; двойное преломлеиие кристаллов; дихроизм (зависимость поглощения света от его поляризации) ; рассеяние света. Мы рассмотрим суть этих явлений и возможность их применении для по­ ляризации света.

Поляризация при отражении и преломлении света

Свет, отраженный от гладкой полированной поверхности диэлектриков (стекла, пластмасс, мрамора, поверхности воды и других жидкостей и т. д.), всегда частично (а иног­ да полностью) лннѳйио поляризован. Как уже говорилось, этот способ поляризации был открыт Малюсом в 1810 г. Основной закон поляризации при отражеипи был установ­ лен Брюстером в 1815 г. Попытаемся прежде всего попять физический смысл явления. Пусть на границу прозрачного диэлектрика (например, стекла) (рис. 17) падает луч есте­ ственного света (7). На границе он разделяется па два луча — отраженный (2) и преломленный (3). Отраженный луч идет обратно в воздух под углом, равным углу паде­ ния, преломленный распространяется в стекле под углом преломления ср к нормали, который связан с углом падения а:

45

(где с — скорость спота п воздухе, ѵ — п стекло, п — пока­ затель преломления стекла). Мы уже говорили, что можно заменить хаос всевозможных направлении электрического вектора в естественном свете совокупностью двух равных взаимно перпендикулярных компонент. Пусть вектор Eì расположен в плоскости падения, а Е\ — перпендикуляр­ но ей; от этой компоненты па рисупке виден только след в виде точки. Причина возпнкповеппя в точке О отра­ женного и преломленного лучей — взаимодействие падаю­ щего света со средой. Эти вторичные волны — следствие

электромагнитных колебаний, вызванных в атомах среды падающим светом. Компонента электрического вектора преломленной волны Ех‘, перпендикулярная плоскости па­

дения,'параллельна E¡. Но Е*2 уже не параллельна Ег, ибо преломленный луч не параллелен падающему. Прп этом

жет с равной вероятностью распространяться как в пре­ ломленном, так її в отраженном луче (£і* и Е/). Этого нельзя сказать о Е2. Разложим вектор Е2' в свою оче­ редь па компоненты Е2" и Е2. Вследствие поперечиости

световых воли только Е2 может распространяться в отра­ женном луче. В то же время для распространения компо­ ненты Е*2 в преломленном луче препятствий нет. Отсюда

46

сразу следует, что и отраженный и преломленный лучп частично поляризованы, причем преимущественное нап­ равление в отраженном свете перпендикулярно плоскости падения СЕ,), а в преломленном — лежит в этой плоско­ сти (E;.). Для запоминания существует простое мнемони­ ческое правило — отражается преимущественно «гладя­ щая» компонента, а проходит «колющая».

Особый интерес представляет случай, показанный на рис. 18, когда угол между отраженным и преломлеппым лучами прямой. В этом случае Е'„ совпадает с направлени­

ем отраженного луча и, следовательно, совсем не может распространяться в этом направлении. Отраженный луч полностью линейно поляризован Поляризация прелом­ ленного луча при этом максимальная, но далеко не полная (для обычного стекла около 15%). Угол а0 в этом случае называют углом Брюстера (или углом полной поляриза­ ции).

Так как а0 + ср0 = 90°, то sin ср„ = cos а0. Учитывая ра­ венство (1), получпм условие для определения утла Брюс­

угол Брюстера составляет около 57°.

А как экспериментально убедиться в том, что свет, отраженный под углом Брюстера, действительно линейно поляризован? Можно воспользоваться второй такой же от­ ражающей поверхностью, поместив ее на пути первично отраженного луча тоже под углом Брюстера, но в таком положенпп, чтобы «гладящая» компонента стала «колюцей». Если пластинки расположены достаточно точно, то интенсивность света, отраженного от второго зеркала, равна пулю. Такое относптельное расположение двух по­ ляризующих устройств называют скрещенным. Первое устройство (первое зеркало) принято называть поляри­ затором, второе — анализатором. Повернув второе зерка­ ло на 90° вокруг оси, совпадающей с направлением луча между зеркалами, получпм параллельное расположение устройств (зеркал), при котором «гладящая» компонента остается «гладящей» и для второго зеркала. Иптспспвпость дважды отраженного луча максимальна.

47

Совокупность поляризатора и анализатора представляет собой поляризационную установку, позволяющую иссле­ довать различные поляризационные явления в разных сре­ дах, помещенных между поляризатором и анализатором. Ясно, например, что любое нзмепеппе поляризации первич­ но отраженного света будет немедленно замечено в скре­ щенном положении зеркал, так как оно нарушит темноту и вызовет просветление. Именно с помощью поляризации при отражении были созданы первые поляризационные прпборы.

Известно, что показатель преломления зависит от дли­ ны волны света (явленне дисперсии). Следовательно, угол Брюстера должен быть различным для разных участков спектра. У некоторых веществ с большой дисперсией это различие может быть заметным, например у паранитрозоднметилапплппа н ннтрозобензилэтилаинлина. При этом скрещенное положение полярпзаторгі и анализатора в белом свете дает не темноту, а окрашенную картину. Но для большинства прозрачных сред дисперсия слишком мала, чтобы заметно повлиять па величину угла полной поляризации. Поэтому скрещен постъ в этих случаях дости­ гается полностью практически по всему видимому спектру.

По углу полной поляризации света при отражении можно определить показатель преломления вещества.

Как уже было сказано, поляризация преломленных лу­ чей (даже при падении света под углом Брюстера) далеко не полная. Чтобы ее увеличить, можно подвергнуть пре­ ломленные лучп второму, третьему и т. д. преломлениям. Достаточно пропустить свет через 8—10 наложенных одна на другую стеклянных пластинок, чтобы при падении под углом Брюстера не только отраженный, но и преломленный свет стал практически полностью поляризованным. Такую совокупность пластинок называют стопой. Стопа может служить поляризатором (или анализатором) как в отра­ женном («гладящая» компонента), так и в проходящем («колющая» компонента) свете.

Для разных областей спектра применяются стопы из разных материалов. Так, для видимой области практичнее всего различные сорта стекла, для ультрафиолетовой — плавленый кварц, для инфракрасной — хлористое серебро, селей.

Оппсаппых явлений поляризации не происходит при отражении от пове”ѵпостн металлов, как бы хорошо опа

48

нп была отполирована. Зеркала, покрытые топким слоем металла, также не поляризуют отраженный свет, если па­ дающий свет естественный. Причина в том, что металлы чрезвычайно сильно поглощают свет. Это обстоятельство в свою очередь объясняется наличием в металлах огромного количества свободных электронов, па которые действует электрическое поле падающей световой волны. Основная часть света (90% и более), падающего па поверхность ме­ талла, отражается. Та часть, которая проходит внутрь металла, испытывает полное поглощение в тончайших сло­ ях. Несколько утрируя, можно сказать, что в металлах пет преломленной волны. Поляризация же возникает, как мы видели, от неодинакового распределения компонент элек­ трического вектора между отраженной и преломленной вол­ нами. Так что если нет преломленной волны, то отражен­ ная не может быть поляризована.

Мы пока рассмотрели только возможность получения лннейно-поляризоваииого (полностью плп частично) света из неполярпзовапного с помощью явлений отражения и преломления. Одиако эти явления можно использовать п для превращения света одного типа поляризации в другой. Чтобы понять это, следует обратить внимание на фазовые соотношения световых волн при этих процессах. Рассмот­ рим простейший случай — отражение электромагнитной волны при нормальном падении па границу двух сред. В па­ дающей волне направления векторов электрического Е и магиитпого В полей подчиняются строгому правилу, обра­ зуя с иаправлеиием падения света правовинтовую систему. В отраженной волне правовинтовая система обязана со­ храняться. Одиако поскольку направление распростране­ ния изменилось на обратное, это условпе может быть вы­ полнено только в том случае, если лпбо направление Е, либо направление В также изменится па обратное. Экспе­ риментальные данные и детальная теория показывают, что при отражении от оптически более плотных сред (с большим показателем преломления, чем у среды, из ко­ торой падает свет) меняет паправлеппе вектор Е, а на­ правление В остается неизменным. Это означает, что Е изменяет свою фазу на л.

Во всех случаях падения света на границу двух сред имеется однозначное соотношение амплитуд и фаз падаю­ щих и отраженных воли, зависящее от угла паденпя п по­ казателей преломления сред. Особый интерес представля­

49

ет случаи полного внутреннего отражения от менее плот­ ной среды (?г<1), наступающего при достаточно большом угле падения. Величина этого предельного угла паде­ ния а„ определяется пз следующего условия. Если ф—

При углах, больших ап, пе может быть преломленного луча, следовательно, весь свет отражается. При этом фазы компонент отраженного луча — лежащей в плоскости паде­ ния и перпендикулярной ей — изменяются по-разпому. Это обстоятельство было остроумно использовано Фрепелем для экспериментального получения света, поляризован­ ного по кругу. Идея этого метода состоит в том, чтобы свет, линейно поляризованный под углом 45° к плоскости падения, испытав полное внутреннее отражение, приобрел разность фаз между компонентами (лежащей в плоскос­ ти падения и перпендикулярной ей), равную л/2. Оказа­ лось, что в области видимого света (а также инфракрас­ ного и ультрафиолетового) создание такой разности фаз с помощью однократного полного внутреннего отражения невозможно. Однако можно получить разность фаз в л/4. Следовательно, при двукратном полном внутреннем отражении можпо получить и л/2.

Исходя пз этих соображений, Френель предложил устройство, изображенное па рис. 19 и получившее название ромба Френеля. Опо представляет собой стеклянный парал­ лелепипед с показателем преломления га=1,51 и острым углом 54°37/. Если лппейио-полярпзоваииый луч, азпмут поляризации которого относительно плоскости падения со­ ставляет 45°, нормально падает на меньшую грань этого параллелепипеда, он испытает двукратное полное внут­ реннее отражение от длпппых граней под углом 54° 31'. В результате возникнет разность фаз между компонен­ тами, равная л/2, следовательно, выходящий нормально через вторую малую грань луч будет поляризован по кру­ гу. Если заставить свет пройти через второй ромб Френе­ ля, то разность фаз возрастет до л и вновь получится ли- пейно-полярпзованиый луч, ио направление его поляри­ зации будет перпендикулярно направлению поляризации луча, падающего на первый ромб Френеля. Если исходный луч падает па ромб Фрепеля не по нормали, а под иным углом, то разпость фаз отличается от л/2 и выходя­ щий луч будет эллпптпчсскп-поляризованным.

50