Поляризация света

Оглавление

Введение
Электромагнитная природа света. Понятие поляризации света
История открытия и исследований поляризации света
Поляризация при отражении и преломлении
Поляризованный свет в природе
Применение поляризованного света
Заключение
Список литературы

Поляризация света

У поляризованного света колебания вектора напряженности Е происходят только в одной плоскости, которая совпадает с осью симметрии кристалла (рис. 4).
Рис. 4.
Поляризация света после прохождения турмалина обнаруживается, если за первым кристаллом (поляризатором) поставить второй кристалл турмалина (анализатор).
При одинаково направленных осях двух кристаллов световой луч пройдет через оба и лишь чуть ослабнет за счет частичного поглощения света кристаллами.
Схема действия поляризатора и стоящего за ним анализатора представлена на рис. 5.
Рис. 5.
Если второй кристалл начать поворачивать, т.е. смещать положение оси симметрии второго кристалла относительно первого, то луч будет постепенно гаснуть и погаснет совершенно, когда положение осей симметрии обоих кристаллов станет взаимно перпендикулярным.
История открытия и исследований поляризации света
Возвращаясь из Исландии, моряки привозили необычные прозрачные кристаллы известкового шпата (CaCO3), которые часто имели форму правильного ромбоэдра. В 1669 году датский учёный Э. Бартолин сообщил о своих опытах с этими кристаллами3. Он с удивлением обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным). Бартолин провёл тщательные исследования обнаруженного им явления двойного лучепреломления, однако объяснения ему дать не смог.
Через 20 лет после опытов Э. Бартолина его открытие привлекло к себе внимание голландского учёного Х. Гюйгенса. Он сам начал исследовать свойства кристаллов исландского шпата и дал объяснение двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света. При этом он ввёл важное понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует анизотропия свойств кристалла, то есть их зависимость от направления (конечно, такой осью обладают не все кристаллы).
В своих опытах Гюйгенс пошёл дальше Бартолина, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл. Оказалось, что если оптические оси обоих кристаллов параллельны, то дальнейшее разложение этих лучей уже не происходит. Если же второй ромбоэдр повернуть вокруг направления распространения обыкновенного луча на угол 180 градусов, то при прохождении через второй кристалл необыкновенный луч претерпевает сдвиг в направлении, противоположном сдвигу в первом кристалле, и из такой системы оба луча выйдут соединёнными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла поворота между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей.
Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов Гюйгенса Исаак Ньютон, придерживающийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света.
В 1808 году французский физик Э. Малюс, глядя сквозь кусок исландского шпата на блестевшие в лучах заходящего солнца окна Люксембургского дворца в Париже, к своему удивлению, заметил, что при определённом положении кристалла было видно лишь одно изображение. На основании этого и других опытов и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, он предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определённую ориентацию. Такой «упорядоченный» свет он назвал поляризованным.
В 1932 году группа американских учёных во главе с Е. Лэндом изобрела первый оптический поляризатор, который оказывает на световые волны действие, аналогичное описанному выше. Для изготовления такого поляризатора было выбрано вещество, состоящее из длинных углеводородных цепей. Затем его растянули, чтобы молекулы выстроились вдоль направления растяжения, и опустили в раствор йода. Молекулы йода «прикрепились» к углеводородным цепям и отдали в них электроны, свободно перемещающиеся вдоль нитей. При падении электромагнитной волны на получившуюся решётку составляющая электрического поля, параллельная нитям, затухает, так как полю приходится совершать работу, разгоняя электроны вдоль нитей; перпендикулярная нитям составляющая электрического поля проходит через такой поляризатор, практически не затухая.
Поляризация при отражении и преломлении
Степень поляризации света зависит от свойств вещества, в котором преломляются или от которого отражаются световые лучи. При определённом строении атомов вещества, и, как следствие, формы его (вещества) кристаллической решётки, эффект поляризации при преломлении становится достаточно сильным, чтобы его можно было наблюдать в опытах.
Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например, турмалин), убеждаемся в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается и ослабевает (полного гашения не наблюдается!). Дальнейшие исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рис. 6 они обозначены точками), в прелом ленном - колебания, параллельные плоскости падения (изображены стрелками).
Рис. 6
При двойном лучепреломлении обыкновенный и необыкновенный лучи оказываются поляризованными во взаимно перпендикулярных плоскостях. Под плоскостью поляризации луча понимают плоскость колебаний вектора электрической напряженности в световой волне.
То же самое можно сказать и для поляризации при отражении. Механизм действия тот же.
Если в солнечный день посмотреть на голубое небо сквозь поляризатор, то вращая его, можно заметить, что на небе возникают темные полосы. Этот опыт свидетельствует о поляризации солнечного света при его рассеянии в атмосфере.
Поляризованный свет в природе
Человеческий глаз весьма чувствителен к окраске (то есть длине волны) и яркости света, но третья характеристика света, поляризация, ему практически недоступна. Мы страдаем «поляризационной слепотой». В этом отношении некоторые представители животного мира гораздо совершеннее нас. Например, пчелы различают поляризацию света почти так же хорошо, как цвет или яркость. И так как поляризованный свет часто встречается в природе, они способны увидеть в окружающем мире нечто такое, что человеческому глазу совершенно недоступно4.
Примеры явлений поляризации в природе:
поляризованность света, идущего от голубого неба;
поляризованность отраженного света, бликов, например, лежащих на поверхности воды;
поляризационные эффекты, наблюдаемые при редких небесных оптических явлениях, таких, как радуга и гало;
поляризованный свет некоторых астрономических объектов (например, Крабовидная туманность в созвездии Тельца);
поляризованный по кругу металлический отблеск спинки жуков семейства скарабеев56.
Применение поляризованного света
Не только кристаллы турмалина способны поляризовать свет. Таким же свойством, например, обладают так называемые поляроиды. Поляроид представляет собой тонкую (0.1 мм) пленку кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку. С поляроидом можно проделать те же опыты, что и с кристаллом турмалина. Преимущество поляроидов в том, что можно создавать большие поверхности, поляризующие свет.
К недостаткам поляроидов относится фиолетовый оттенок, которым они придают белому свету.
Особенности взаимодействия поляризованного света с веществом обусловили его исключительно широкое применение в научных исследованиях кристаллохимической и магнитной структуры твёрдых тел, строения биологических объектов (например, поляризационная микроскопия), состояний элементарных излучателей и их отдельных центров, ответственных за квантовые переходы, для получения информации о чрезвычайно удалённых (в частности, астрофизических) объектах.
Поляризованный свет также применяют: