Поляризационные приборы. Анализ поляризованного света. Цвета кристаллических пластинок. Искусственная оптическая анизотропия

Размещено на http://www.allbest.ru/

8

Поляризационные приборы

Устройства, служащие для преобразования естественного или частично поляризованного света в линейно поляризованный свет, называются поляризаторами. Их действие основывается на использовании

либо закона Брюстера для отражения и преломления света на границе раздела двух прозрачных изотропных диэлектриков,

либо явления двойного лучепреломления в одноосных кристаллах.

Примером поляризатора первого типа может служить плоскопараллельная стеклянная пластинка. Если естественный свет падает на пластинку под углом Брюстера, определяемого из условия , то отражённый свет будет полностью поляризован в направлении, перпендикулярном плоскости падения.

2) Преломлённый свет в этом случае будет частично поляризованным.

Используя систему одинаковых плоскопараллельных стеклянных пластинок , расположенных параллельно друг за другом (стеклянная стопа), на которую под углом Брюстера падает пучок света, получаем, что после многократных отражений и преломлений, свет, прошедший через стопу, будет практически полностью поляризован в плоскости падения.

3) В качестве поляризаторов, в основе которых лежит явление двойного лучепреломления, наиболее часто применяются призмы и поляроиды.

Призмы делятся на два класса:

призмы, дающие только один плоскополяризованный луч (однолучевые поляризационные призмы);

призмы, дающие 2 поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча (двухлучевые поляризационные призмы - двоякопреломляющие призмы).

Поляризационные призмы построены по принципу полного отражения одного из лучей (например, обыкновенного ) от границы раздела, в то время как другой луч с другим показателем преломления проходит через эту границу.

Типичным представителем поляризационных призм является призма Нъколя, называемая нъколем.

Она представляет собой двойную призму из исландского шпата, склеенную вдоль линии раздела АВ канадским бальзамом с =1,55 , прозрачным для света и оптически изотропным.

В поперечном сечении имеет форму ромба. Оптическая ось составляет со входной гранью угол 48°. На передней входной грани призмы естественный луч, параллельный ребру СВ, раздваивается на 2 луча: обыкновенный(=1,66) и необыкновенный(=1,51). При соответствующем подборе угла падения на диагональную плоскость АВ (76,5°), равного или большего предельного, обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение ( канадский бальзам для него является средой оптически менее плотной:), а затем поглощается в оправе призмы (или зачернённой гранью СВ). Необыкновенный луч ()выходит из кристалла параллельно падающему лучу, незначительно сместившись относительно него (ввиду преломления на наклонных гранях AC и DB), устраняется:

Плоскость, в которой лежит вектор линейно поляризованного выходящего луча (в нашем случае плоскость рисунка), называется плоскостью пропускания поляризатора - главная плоскость поляризатора. При повороте призмы вокруг падающего луча на некоторый угол на такой же угол поворачивается и плоскость поляризации прошедшего через неё света.

Падающий на призму пучок должен быть близким к параллельному, в противном случае полной поляризации выходящего пучка не будет.

Допустимая расходимость пучка , и её называют апертурой поляризационной призмы.

Канадский бальзам поглощает УФ лучи. Для УФ спектра призмы склеивают глицерином () или делают воздушный зазор. Тогда апертура призмы уменьшается.

2.Двоякопреломляющие призмы используют различие в показателях преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, чтобы развести их как можно дальше друг от друга.

Примером двоякопреломляющих призм могут служить:

Призма из исландского шпата и стекла: .

Обыкновенный луч преломляется на границах 2 раза и, следовательно, сильно отклоняется. Необыкновенный же луч при соответствующем подборе проходит призму почти без отклонения.

Призма Волластона

Состоит из двух призм из исландского шпата со взаимно перпендикулярными (ортогональными) оптическими осями. В первой призме два луча (о) и (е) движутся по одному направлению с разными скоростями. Т.к. оптические оси ,в другой призме лучи меняются названиями и значениями скоростей. Внутри второй призмы обыкновенный и необыкновенный лучи расходятся и выходят из неё под разными углами. Т.к. ,то угол расхождения наибольший. Т.обр. отличие в ориентировке оптических осей влияет на угол расхождения между обыкновенным и необыкновенным лучами.

Кроме указанных, существуют также поляризаторы, состоящие из двоякопреломляющих кристаллов, обладающих свойством дихроизма. Дихроизм - избирательное поглощение света в зависимости от ориентации вектора световой волны(поляризации).Такие кристаллы называются дихроичными кристаллами. Т.е. в таких кристаллах коэффициент поглощения неодинаков для обыкновенного и необыкновенного лучей и зависит от распространения света в кристалле.

Примером естественного сильно дихроичного кристалла является турмалин. В турмалине из-за очень сильного селективного поглощения обыкновенного луча уже при толщине пластинки 1 мм. из неё выходит только необыкновенный луч. Коэффициент поглощения необыкновенного луча в турмалине сильно зависит от частоты света. Поэтому при освещении пластинки турмалина белым светом кристалл по разным направлениям оказывается различно окрашенным. В проходящем необыкновенном луче преобладает жёлто-зелёная область спектра видимого света. Поэтому турмалин не только поляризатор, но и своеобразный светофильтр.

Ещё более ярко выраженным дихроизмом в области видимого света обладают кристаллы герапатита (сернокислого иод-хинина), которые уже при толщине 0,1 мм. полностью поглощают обыкновенный луч.

Дихроические кристаллы приобрели ещё более важное значение в связи с изобретением поляроидов. Поляроидом может служить тонкая плёнка из целлулоида, в которую вкраплены кристаллики герапатита. Плёнка необходима для того, чтобы получить поляризаторы с большой площадью поверхности (до нескольких ), т.к. сами кристаллики герапатита очень маленькие. В этом основное преимущество поляроидов перед призмами. Однако степень поляризации в них сильнее зависит от ,чем в призмах. Кроме того, их меньшая по сравнению с призмами прозрачность (приблизительно 30%) в сочетании с небольшой термостойкостью не позволяет использовать поляроиды в мощных световых потоках. Поляроиды применяются, например, для защиты от ослепляющего действия света солнечных лучей и фар встречного автотранспорта.

Разные кристаллы создают различное по значению и направлению двойное лучепреломление. Поэтому, пропуская через них поляризованный свет и измеряя его изменение после прохождения кристаллов, можно определить их оптические характеристики и производить минералогический анализ. Для этой цели используются поляризационные микроскопы.

Анализ поляризованного света

Устройства, служащие для анализа степени поляризации света, называются анализаторами. В качестве анализаторов используют те же вышеперечисленные устройства, что и для получения линейно поляризованного света.

Если на анализатор падает линейно поляризованный свет с амплитудой (интенсивностью ), то амплитуда и интенсивность прошедшего через анализатор света будет зависеть от угла .

или - закон Малюса,

где - угол, который образует вектор падающего света с плоскостью пропускающего анализатора.

На входе в анализатор луч разложится на два луча: поляризованный в главной плоскости анализатора и в перпендикулярной к ней. Первый пройдёт через него, второй полностью поглотится.

Если анализатор вращать вокруг пучка линейно поляризованного света, интенсивность будет изменяться от до 0.

Если при вращении анализатора интенсивность не изменяется, то:

1) падающий свет естественный. В этом случае присутствуют все значения и они равновероятны. <>, значит,

2) падающий свет поляризован по кругу, левому или правому.

Если при вращении анализатора интенсивность изменяется, но для , то падающий свет или частично поляризован, или имеет эллиптическую поляризацию.

Пусть на кристаллическую пластинку, вырезанную из одноосного кристалла параллельно оптической оси, нормально падает плоскополяризованный свет. Если плоскость колебаний падающего света наклонена к главной плоскости кристалла под углом ,то внутри пластинки он разбивается на обыкновенный (о) и необыкновенный (е) лучи. В кристалле они пространственно не разделены (но движутся с разными скоростями), а на выходе из кристалла складываются. Т.к. в обыкновенном и необыкновенном лучах колебания светового вектора совершаются во взаимно перпендикулярных направлениях, то на выходе из пластинки в результате сложения этих колебаний, между которыми возникла разность фаз , образуются световые волны, вектор (а соответственно и )в которых меняется со временем так, что его конец описывает в плоскости, направлению распространения, эллипс, ориентированный произвольно относительно координатных осей.

Уравнение этого эллипса

поляризация свет призма интерференция

где и - соответственно составляющие напряжённости электрического поля волны в обыкновенном и необыкновенном лучах, - разность фаз колебаний.

Т.обр., в общем случае, в результате прохождения через пластинку плоскополяризованный свет становится эллиптически поляризованным.

Между обыкновенным и необыкновенным лучами в пластинке возникает оптическая разность хода , или разность фаз

,

где - толщина пластинки,- длина волны в вакууме.

Рассмотрим важные частные случаи:

1) , то уравнение принимает вид , т.е. на выходе из пластинки эллиптически поляризованный свет, и эллипс ориентирован относительно главных осей кристалла.

При (если световой вектор в нормально падающем на пластинку плоскополяризованном свете составляет угол с направлением оптической оси пластинки) , т.е. на выходе из пластинки свет оказывается циркулярно поляризованным.

Вырезанная параллельно оптической оси пластинка, для которой оптическая разность хода , (m=0,1,2…), называется пластинкой в четверть волны(пластинкой ).

Знак +соответствует отрицательным кристаллам, минус - положительным.

2) , (m=0,1,2…), (пластинка в полволны, т.е. пластинка )

Уравнение принимает вид: . На выходе из пластинки линейно поляризованный свет. Т.обр., при прохождении линейно поляризованного монохроматического света сквозь пластинку в полволны свет остаётся линейно поляризованным, но его плоскость поляризации поворачивается на угол .

3) , , (пластинка в целую волну - пластинка ).

Уравнение принимает вид: . Следовательно, при прохождении линейно поляризованного монохроматического света сквозь пластинку свет остаётся линейно поляризованным в прежней плоскости.

4) Если , то х =, т.е. в пластинке распространяется только необыкновенный луч.

5) Если , то х =, т.е. в пластинке распространяется только обыкновенный луч.

В обоих последних случаях пластинка не меняет характера поляризации света.

С другой стороны, с помощью пластинки можно получать линейно поляризованный свет из света других поляризаций.

В циркулярно поляризованном свете разность фаз между любыми двумя взаимно перпендикулярными колебаниями, результатом суперпозиции которых его можно представить, равна . Амплитуды этих колебаний равны. Если на пути такого света поставить пластинку, то она внесёт дополнительную разность фаз . Результирующая разность фаз станет равной 0 или . Следовательно, циркулярно поляризованный свет, пройдя пластинку , становится плоскополяризованным. Если теперь на пути луча поставить поляризатор, то можно добиться полного его гашения. Если же падающий свет был естественным, то он при прохождении пластинки таковым и останется (ни при каком положении пластинки и поляризатора погашения луча не достичь).

Т.обр., если при вращении поляризатора при любом положении пластинки интенсивность не меняется, то падающий свет естественный. Если интенсивность меняется, и можно достичь полного гашения луча, то падающий свет циркулярно поляризованный, если полного гашения не достичь, то падающий свет представляет собой смесь естественного и циркулярно поляризованного. Таким образом, можно отличить циркулярно поляризованный свет от естественного.

Если на пути эллиптически поляризованного света поместить пластинку , оптическая ось которой ориентирована параллельно одной из осей эллипса, то она внесёт между двумя взаимно перпендикулярными компонентами, ставшими обыкновенным и необыкновенным лучом дополнительную разность фаз . Результирующая разность фаз станет равной 0 или . Следовательно, эллиптически поляризованный свет, пройдя пластинку , повёрнутую определённым образом, превращается в плоскополяризованный и может быть погашен поворотом анализатора. Этим методом можно отличить эллиптически поляризованный свет от частично поляризованного.

Цвета кристаллических пластинок

Интерференция поляризованного света

1.Естественный свет представляет собой набор линейно поляризованных волн со всевозможными ориентациями плоскостей их колебаний относительно луча. Эти элементарные волны соответствуют излучению различных независимых атомов источника света, т.е. заведомо не когерентны друг с другом. При падении естественного света на одноосный кристалл в последнем распространяются 2 волны - обыкновенная и необыкновенная, которые линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Каждая из элементарных волн, падающих на кристалл, участвует в возбуждении этих двух волн. Однако их вклады в обыкновенную и необыкновенную волны неодинаковы и зависят от угла между плоскостью колебаний элементарной волны и главной плоскостью кристалла. Так, например, элементарная волна, поляризованная в главной плоскости кристалла (), возбуждает только обыкновенную волну, а элементарная волна, поляризованная в перпендикулярной плоскости (), - только необыкновенную. Иными словами, обыкновенная и необыкновенная волны в основном порождаются разными элементарными волнами, входящими в состав естественного света, падающего на кристалл. Следовательно, обыкновенная и необыкновенная волны, распространяющиеся в одноосном кристалле при падении на него естественного света, некогерентны.

2. Совершенно иначе обстоит дело, если на двоякопреломляющий кристалл падает линейно поляризованный свет (например, полученный из естественного с помощью поляризатора). В этом случае углы для всех элементарных волн, входящих в состав падающего на кристалл света, одинаковы и равны углу между плоскостью колебаний падающего света и главной плоскостью кристалла. Следовательно, для всех падающих элементарных волн соотношения между их вкладами в обыкновенную и необыкновенную волны, возбуждаемые в кристалле, также одинаковы:

. (т.е. не зависит от )

Т.обр. обыкновенная и необыкновенная волны, возникающие в одноосном кристалле при падении на него линейно поляризованного света, когерентны, т.к. содержат попарно когерентные составляющие, соответствующие каждой из элементарных падающих волн. Иначе говоря, обыкновенный и необыкновенный лучи, возникающие из луча линейно поляризованного света при его двойном лучепреломлении, когерентны.

3. Когерентные волны, выходящие (задача предыдущего параграфа) из кристаллической пластинки, не могут интерферировать, т.к. (о) и (е) лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Если же колебания вектора обыкновенного и необыкновенного лучей свести к одной плоскости, то можно будет говорить об интерференции поляризованных лучей. Пропустим поэтому оба луча через призму Николя, служащую анализатором. Анализатор, разлагая пришедшие к нему когерентные волны, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях и обладающие определёнными разностями фаз , выделяет из них составляющие, которые поляризованы в одной плоскости, и тем самым создаёт условия, необходимые для существования интерференции этих волн.

Пусть на пластинку падает монохроматический свет с длиной волны в вакууме, равной . Пусть после поляризатора амплитуда линейно поляризованного света . Обычно главные сечения А и Р устанавливаются параллельно или перпендикулярно друг к другу. Рассмотрим случай, когда АР.

Через два скрещённых Нъколя свет не проходит. Однако, если между ними ввести анизотропное вещество, то система начинает пропускать свет. Тогда амплитуда обыкновенного и необыкновенного лучей:

, , где - угол

между плоскостью пропускания поляризатора и оптической осью пластинки.

После прохождения пластинки разность фаз между (о) и (е) волнами:

Амплитуда (о) и (е) лучей, прошедших через анализатор:

, ,

где- угол между оптической осью пластинки и плоскостью пропускания анализатора

Из рисунка видно, что обе компоненты, прошедшие через анализатор, сведены к одной плоскости, но направлены противоположно друг другу. Можно считать, что при прохождении через анализатор они приобретают сдвиг фаз . .

В результате наложения волн после анализатора

.

Т.к. при скрещённых анализаторе и поляризаторе и, следовательно, ,то

В этом выражении содержится объединение всех особенностей интерференции поляризованного света в параллельных лучах.

а), т.е.;

В этих случаях в пластинке возникает только один луч (или (о) или (е)), вектор которого лежит в плоскости пропускания поляризатора. Т.к. А и Р скрещены, то на выходе А света не будет. Если не скрещены, то на выходе I=const и не зависит от .

б)

При изменении (для ) от до получим: величина лепестков зависит от величины . Если зафиксируем, напр., (для ), то при изменении разности хода

1) “” , ;

2) “” , ;

3) “” , .

т.е. имеем интерференционную картину. При других имеет промежуточные значения , т.е. имеем интерференционную картину.

Если пластинка плоскопараллельная и освещается параллельным монохроматическим линейно поляризованным лучом, то интерференционная картина Ї равномерно освещённое поле.

Если при прежних условиях на пластинку падает линейно поляризованный белый свет, то при прохождении света через анализатор пластинка кажется равномерно окрашенной().

При изменении угламежду анализатором и поляризатором (вращении одного из них) окраска пластинки изменяется. Это явление объясняется тем, что для различных монохроматических составляющих белого света значение сдвига фаз, определяющее результат их интерференции, неодинаково. При изменении на интерференционная картина изменится на дополнительную; если, напр., при пластинка была окрашена в красный цвет, то при она станет зелёной. Явление интерференции в белом свете, дающее окрашенную интерференционную картину, наз. хроматической поляризацией.

Если толщина d пластинки в разных местах неодинакова, а , то значения также различны. При наблюдении через анализатор такой пластинки в монохроматическом свете на её поверхности видна система светлых и тёмных интерференционных полос, соответствующих участкам пластинки равной толщины.

В белом свете пластинка приобретает причудливую разноцветную окраску, причём каждая цветная интерференционная линия (изохромата) проходит через те точки пластинки, где . Для клина разноцветные полосы параллельны преломляющему ребру. Аналогичная картина наблюдается в пластинке с , но переменной . В этом случае изохроматы соединяют точки, для которых .

Система скрещённых николей, между которыми помещается исследуемый образец, даёт очень чувствительный способ обнаружения оптической анизотропии. При её наличии сразу же возникает цветная интерференционная картина.

Искусственная оптическая анизотропия

Двойное лучепреломление имеет место в естественных анизотропных средах. Существуют, однако, различные способы получения искусственной оптической анизотропии, т.е. сообщения оптической анизотропии естественно изотропным веществам.

Некоторые оптически изотропные вещества становятся оптически анизотропными:

1) Под влиянием механических деформаций (одностороннего Оптическая ось таких квазикристаллов будет проходить вдоль направления сжатия или растяжения (кристаллы кубической системы, стёкла и др.)).

Cжатия/растяжения, -нормальное напряжение. Обнаружено явление Т. Згебеком и Д. Брюстером. Примеры - напряжения в оптическом стекле и других прозрачных материалах, (возникающие в деталях из металлов при их изготовлении).

Метод обнаружения такой анизотропии - интерференция поляризованных лучей. Т.к. применяемые обычно в технике материалы (металлы) непрозрачны, то исследование напряжений проводят на прозрачных моделях, а затем делают соответствующий пересчёт на проектируемую конструкцию.

2) В электрическом поле (эффект Керра: жидкости, аморфные тела, газы)

Обнаружено явление впервые в 1875г. шотландским физиком Дж. Керром (1824-1904) при перемещении жидкого (а также и твёрдого) изотропного диэлектрика в достаточно сильное однородное электрическое поле.

Ячейка Керра - кювета с жидкостью (напр., нитробензолом), в которую введены пластины конденсатора, помещается между скрещёнными поляризатором Р и анализатором А. При отсутствии эл. поля свет через систему не проходит. При наложении эл. поля жидкость становится анизотропной и свет проходит. Оптическая ось направлена вдоль вектора эл. поля конденсатора. Мерой возникающей оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси:

или ,

где В- постоянная Керра, - длина волны света в вакууме.

Для газов В на несколько порядков меньше. Но в 1930г. явление Керра для газов было также обнаружено.

Эффект был объяснён Ланжевеном и Бором. Эффект Керра объясняется различной поляризуемостью молекул жидкости по разным направлениям. Это явление практически безынерционно, т.е. переход вещества из изотропного состояния в анизотропное при включении поля (и обратно) составляет с. Поэтому ячейка Керра служит идеальным световым затвором и применяется в быстропротекающих процессах (звукозапись, воспроизводство звука, скоростная фото- и киносъёмка, изучение скорости распространения света, затворы лазеров), в оптической локации, в оптической телефонии и т.д.

3) В сильном магнитном поле (жидкости, стекла, коллоиды) может наблюдаться эффект Коттона-Мутона:

,

С - постоянная Коттона-Мутона.

В газах не обнаружено.

Размещено на Allbest.ru