Двойное лучепреломление. Поляроиды и поляризационные призмы.

При прохождении света через все прозрачные кристаллы, за исключением кристаллов с кубической симметрией, наблюдается явление двойного лучепреломления.

¹ Д. Брюстер (1781 – 1868), шотландский физик.

Это явление заключается в разделении упавшего на кристалл луча на два луча, распространяющихся, в общем случае, с разными скоростями в различных направлениях.

Как известно, анизотропия кристаллов проявляется, в частности, в том, что кристаллы бывают одноосными и двухосными. У одноосных кристаллов один луч подчиняется обычному закону преломления (с показателем преломления n_o), лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к поверхности и называется обыкновенным. Для другого луча, называемого необыкновенным (с показателем преломления n_e), отношение синусов угла падения и угла преломления не остается постоянным при изменении угла падения. Кроме того, необыкновенный луч не ле-

жит, как правило, в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к поверхности. К таким кристаллам относятся исландский шпат, кварц, турмалин. Показатели преломления для обоих лучей n_o и n_e различны. У двухосных кристаллов оба луча необыкновенные.

Исследование необыкновенного и обыкновенного лучей показало, что оба луча полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях.

В некоторых кристаллах (например, в турмалине) один из лучей (обыкновенный) поглощается сильнее другого. Это явление называется дихроизмом. Это обстоятельство используется для изготовления поляризационных устройств, называемых поляроидами.

Для изготовления поляризационных устройств используется также поляризационные призмы (призмы Николя). Эти призмы построены по принципу полного внутреннего отражения одного из лучей (например, обыкновенного – луча «о» на рис. 4.5) от границы раздела, в то время как другой луч (необыкновенный – луч «е» на рис. 4.5), с другим показателем преломления, проходит через эту границу.

луч «е» луч «o»   Рис. 4.5

4.4. Вращение плоскости поляризации.

Двойное лучепреломление имеет место в естественных оптических средах. Существуют, однако, различные способы получения искусственной оптической анизотропии в изотропных веществах. Оптически изотропные вещества становятся оптически анизотропными под действием:

1) одностороннего механического сжатия или растяжения;

2) внешнего электрического поля (эффект Керра ¹);

3) внешнего магнитного поля (эффект Фарадея ²).

¹ Д. Керр (1824 – 1904), шотландский физик.

² М. Фарадей (1791 – 1867), английский физик.

Мерой возникающей при этом оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси:

1) n _o - n _e = k₁ s (s - величина деформации);

2) n _o - n _e = k₂ E ² = l_о ВE ² (эффект Керра, где В - постоянная Керра, Е - напряженность электрического поля, l_о – длина световой волны);

3) n _o - n _e = k₃ H ² (эффект Фарадея, где Н – напряженность магнитного поля).

В ячейке Керра (рис. 4.6) кювета с жидкостью помещена между скрещенными поляризатором Р и анализатором А.

+   _ P A

Рис. 4.6

При отсутствии электрического поля свет через систему не проходит. При наложении электрического поля жидкость становится двоякопреломляющей, и на пути l между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает разность хода

D = l (n _o - n _e) = k₂ × l × E ² = l_о В × l × E ²

или соответственно разность фаз

j = 2pD/l₀ = 2p В × l × E ².

Аналогично, угол поворота j плоскости поляризации света оптически неактивными веществами под действием магнитного поля (эффект Фарадея) определяется выражением:

j = VlB,

где V - постоянная Верде¹ (удельное магнитное вращение),

l - расстояние, пройденное светом в веществе,

B - магнитная индукция.

Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации и при отсутствии внешних воздействий. Опыт показывает, что угол поворота плоскости поляризации для оптически активных кристаллов и жидкостей может быть записан в виде:

j = a d, или j_р = [a] dС.

¹ М. Верде (1824 – 1866), французский физик.

Здесь j - угол поворота плоскости поляризации в кристаллах и в чистых жидкостях;

j_р - угол поворота плоскости поляризациив растворах;

Явление вращения плоскости поляризации лежит в основе точного метода определения концентрации растворов оптически активных веществ (например, сахара), называемого поляриметрией(сахарометрией).

4.5.Дисперсия света. Области нормальной и аномальной дисперсии.

Дисперсией света называются явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества от длины световой волны. Эту зависимость можно охарактеризовать функцией:

n = f (l), где l - длина световой волны в вакууме.

Дисперсией вещества называется производная .

Для всех прозрачных бесцветных веществ с уменьшением длины волны показатель преломления увеличивается, то есть дисперсия отрицательна (нормальная дисперсия – см. рис. 4.7). На некоторых участках длин волн дисперсия вещества оказывается положительной( показатель преломления возрастает с увеличением длины волны); эта дисперсия называется аномальной (рис. 4.8).

n       l Рис. 4.7 Нормальная дисперсия, < 0	n     l Рис. 4.8 Аномальная дисперсия, > 0
Следствием дисперсии является разложение пучка белого света в спектр. Если на призму с показателем преломления n (рис. 4.9) падает монохроматический пучок света, то после двукратного преломления луч оказывается отклоненным от первоначального направления на угол j = А(n – 1), где А – угол при вершине призмы. Это означает, что угол отклонения лучей призмой тем больше, чем больше n, то есть лучи разных длин волн отклоняются на разные углы, иными словами белый свет разлагается призмой в спектр.	А   j кр ф   Рис. 4.9

Дифракционный и призматический спектры различны. Дифракционная решетка разлагает свет таким образом, что синус угла отклонения пропорционален длине волны, то есть красные лучи отклоняются сильнее.

Призма же разлагает лучи в спектр по значениям показателя преломления, который для всех прозрачных веществ уменьшается с ростом длины волны (нормальная дисперсия). Следовательно, красные лучи, имеющие меньший показатель преломления, чем фиолетовые, отклоняются призмой слабее.