Поляроиды. Способы получения поляризованного света

Обычные источники света являются совокупностью огромного числа быстро высвечивающихся (10^-7 ¸ 10^-8 с) элементарных источников (атомов или молекул), испускающих свет независимо друг от друга, с разными фазами и с разными ориентациями векторов  и . Поэтому ориентация этих векторов в результирующей волне хаотически изменяется со временем, то естьт такой свет является неполяризованным. Для получения и наблюдения поляризованного света необходимо использовать специальные оптические приборы, поляризующие свет и определяющие степень его поляризации. Большинство людей, не вооруженных специальными приборами, не могут отличить поляризованный свет от неполяризованного. Оптические системы, с помощью которых световые волны становятся плоско поляризованными, называются поляризаторами. Оптические системы, используемые для обнаружения и исследования поляризованного света, называются анализаторами. Конструктивно это одинаковые оптические системы, называющиеся поляроидами.

Существует несколько способов получения поляризованного света. Эти способы основаны на следующих явлениях:

1. Отражение света от диэлектрической пластинки (диэлектрического зеркала); при этом отраженный луч либо частично, либо полностью поляризуется в зависимости от угла падения светового луча на поверхность пластинки.

2. Преломление света в прозрачных диэлектриках; при этом световой луч при любых условиях поляризуется частично.

3. Преломление света в некоторых кристаллах, где наблюдается явление двойного лучепреломления.

Явление двойного преломления света в кристалле состоит в следующем: некоторые кристаллы обладают анизотропией оптических свойств. Такими кристаллами, например, являются исландский шпат, турмалин. Вследствие анизотропии оптических свойств кристалла световой луч разделяется на два плоско поляризованных луча со взаимно перпендикулярными векторами напряженностей электрического поля. Если при этом каким-либо способом отклонить один из лучей в сторону, то из кристалла выйдет только один плоско-поляризованный световой луч. По такому принципу работает призма Николя (николь).

4. Поглощение света в дихроических пластинах. В этом случае наблюдается явление двойного лучепреломления в некоторых оптических средах, в которых одновременно происходит частичное или полное поглощение одного из лучей в процессе прохождения световых поляризованных лучей через эту среду. Таким свойством, например, обладает турмалин. В настоящее время дихроические пластины изготавливают в виде тонких плёнок и они носят название поляроидов, которые в оптических системах могут играть роль как поляризатора, так и анализатора (поляризаторы и анализаторы взаимозаменяемы). Поляроиды могут быть получены различными способами, например, путем специальной обработки листов целлулоида, покрытых мелкими кристалликами герапатита. Недостатком дихроичных пластин является зависимость поглощения светового луча от длины волны света. Это приводит к тому, что современные поляроиды пропускают фиолетовый и красный свет только частично поляризованным. Это можно наблюдать и в настоящей лабораторной работе при использовании в качестве поляризатора и анализатора поляроидов.

Явление двойного лучепреломления можно наблюдать не только в кристаллах, но и в некоторых прозрачных аморфных средах – жидких и газообразных, если они под действием каких-либо причин (механических деформаций, электрического или магнитного полей) становятся анизотропными.

Большинство изотропных тел состоит из анизотропных молекул или групп молекул, хаотично расположенных по объёму тела, в результате макроскопическая среда остается изотропной. Если на такую среду подействовать извне так, чтобы выявилось выраженное преимущественное направление структуры, то возможна перегруппировка анизотропных элементов, приводящая к появлению макроскопической анизотропии.

Изменение направления колебаний вектора напряженности электрического поля в световой волне  при прохождении луча света через поляроиды и через двояко-преломляющий кристалл удобно рассматривать с помощью векторных диаграмм.

Введем дополнительно некоторые понятия: оптической осью кристалла называется направление, вдоль которого не происходит двойного лучепреломления в кристалле. Главным сечением кристалла называется любая плоскость, проходящая через оптическую ось кристалла и направление падающего луча.

 

Векторные диаграммы

На векторных диаграммах изображается взаимное расположение плоскостей колебаний всех поляризационных приборов, через которые последовательно проходит световой луч. Плоскость колебаний, соответствующая каждому оптическому прибору, изображается условно одной прямой с буквенными обозначениями: РР – для поляризатора, АА – для анализатора, КК – для кристалла. Вектор напряженности электрического поля световой волны  изображается отрезком, направление которого лежит в плоскости колебаний светового луча, прошедшего поляризационный прибор. В данном методическом указании приводится пример построения векторных диаграмм в упражнениях 1 и 2.

Векторные диаграммы естественного света (а), линейно-поляризованного (б) и частично поляризованного света (в) изображены на рисунке 2.

Закон Малюса

При прохождении естественного света через поляроид (поляризатор) будут пропущены только те вектора  направление колебаний которых параллельно плоскости колебаний поляризатора (РР). Но поскольку в естественном свете направления колебаний вектора напряжённости электрического поля, параллельные и перпендикулярные плоскости (РР), равновероятны, то пропущенным окажется ровно половина падающего на поляроид светового потока. Оставшаяся часть световой энергии будет поглощена материалом поляризатора и приведет к нагреву поляризатора. Выделившееся тепло отдается окружающей среде, и поэтому температура поляроида на ощупь практически не изменится. Если в дальнейшем уже поляризованный свет пропустить через второй поляроид (анализатор), плоскость колебаний которого (АА) составляет некоторый угол j с плоскостью колебаний первого поляроида (РР), то через второй поляроид будут пропущены только та компонента векторов , которая окажется параллельной плоскости колебаний второго поляроида (АА). Амплитуда напряженности электрического поля световой волны на выходе из второго поляроида станет равной

 

E = E₀cosj.                                           (1)

 

Поскольку интенсивность света (и, соответственно, освещённость экрана) пропорциональна квадрату амплитуды светового вектора (I ~ E), то изменение интенсивности определяется законом

 

I = I₀cos²j.                                           (2)

 

Соотношение (1) называется законом Малюса.

Здесь I₀ – интенсивность полностью поляризованного света, падающего на поляроид (например, естественный свет, предварительно пропущенный через поляризатор); I – интенсивность света, прошедшего затем через второй поляроид (анализатор); j – угол между плоскостями колебаний поляризатора и анализатора.

Изменение амплитуды линейно-поляризованной световой волны, прошедшей через поляроид, поясняется рисунком 3.

Если оба поляроида скрещены (угол j между их плоскостями поляризации равен , cosj = 0), свет через оптическую систему проходить не будет. Если поляроиды параллельны (угол между плоскостями поляризации j = 0, cosj = 1), то освещённость экрана, расположенного за оптической системой, будет максимальна.

На рисунке 4 показано, как меняется интенсивность естественного света, прошедшего через оптическую систему, состоящую из двух поляроидов.

 

При прохождении естественного света через первый поляроид интенсивность света уменьшается вдвое: I = . Затем, после прохождения уже полностью поляризованного света через второй поляроид, в соответствии с законом Малюса интенсивность станет равной: I = cos²j.

 

Двойное лучепреломление

Двойное лучепреломление возникает при прохождении света через анизотропные вещества (в данной работе для наблюдения этого явления свет пропускают через кристалл исландского шпата). Скорость распространения электромагнитных волн в веществе может зависеть от ориентации вектора  (т.к. различным ориентациям  соответствуют различные значения высокочастотной диэлектрической проницаемости (e) и, следовательно, различные абсолютные показатели преломления среды n = ; если среда не ферромагнитная, т. е. m = 1, то n = . При прохождении кристалла исландского шпата свет разделяется на две части, направления векторов  в которых взаимно перпендикулярны. Возникшие таким образом два луча распространяются в веществе с разными скоростями (для этих двух лучей показатели преломления вещества неодинаковы). Один из лучей носит название обыкновенный и обозначается буквой «о», а второй называется необыкновенный и обозначается буквой «е». Если направление падающего на кристалл света не совпадает с оптической осью кристалла, то образовавшиеся обыкновенный и необыкновенный лучи обладают следующими свойствами:

1. Показатели преломления вещества кристалла для лучей различны.

2. Показатель преломления обыкновенного луча не зависит, а необыкновенного луча зависит от угла падения светового луча на кристалл.

3. Оба луча после прохождения кристалла оказываются линейно-поляризованными во взаимно перпендикулярных плоскостях так, что плоскость колебаний обыкновенного луча перпендикулярна главному сечению кристалла, а плоскость колебаний необыкновенного луча совпадает с главным сечением кристалла.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: