Естественный и поляризованный свет. Поляризация света кристаллом. Закон Малюса

Естественный и поляризованный свет. Поляризация света кристаллом. Закон Малюса

Свет представляет собой электромагнитное излучение, и световая волна состоит из взаимно перпендикулярных элект­рической и магнитной волн. Химические, физиологические и другие виды воздействия света на вещество обусловлены глав­ным образом электрическими колебаниями. Свет, у которого электрические колебания совершаются в одной плоскости, на­зывают линейно- или плоскополяризованным. Однако, по ис­торическому недоразумению, плоскостью поляризации стали называть ту плоскость, в которой происходят магнитные коле­бания. Поляризованными могут быть только поперечные вол­ны. Световая волна является поперечной. Естественный свет не поляризован, так как он испускается атомами с произволь­ной, ориентацией в пространстве. Известны, два способа полу­чения поляризованного света из естественного. Это поляриза­ция света при прохождении через кристалл и при прохожде­нии и преломлении на границе двух диэлектриков.

Явление поляризации естественного света кристаллом со­стоит в следующем. С позиций электромагнитной теории Мак­свелла переменное электрическое поле световой волны вызы­вает в кристаллическом диэлектрике смещение ионов, состав­ляющих кристаллическую решетку. Это смещение приводит к появлению поляризационного тока, часть которого переходит в джоулеву теплоту. Величина смещения ионов, а следователь­но, и сила поляризационного тока неодинаковы для различ­ных плоскостей кристаллической решетки. Электрическая нео­днородность кристалла обусловлена его структурной анизо­тропией. Естественно, что в кристалле возможны направления с максимальным и минимальным смещениями частиц, соот­ветствующие максимуму и минимуму поляризационного тока. В первом случае свет полностью поглощается кристаллом, во втором — свет проходит через кристалл без поглощения. Та­ким образом, из электрических колебаний естественного све­та, имеющих всевозможные направления, через кристалл про­ходят те, которые совершаются в плоскости, соответствующей минимуму поляризационного тока; остальные колебания в той

или иной мере ослабляются. В результате у света, прошедшего через кристалл, электрические колебания совершаются лишь в одной определенной плоскости, то есть свет оказывается по­ляризованным, а его интенсивность уменьшается вдвое по срав­нению с интенсивностью естественного света.

В качестве поляризатора используется природный турма­лин. В кристалле.турмалина имеется направление, относитель­но которого атомы, ионы кристаллической решетки распола­гаются симметрично. Это направление называют оптической осью кристалла. В кристалле име­ется ряд параллельных друг дру­гу оптических осей, которые объе­диняются главной плоскостью кристалла.

Рассмотрим вырезанную пер­пендикулярно указанной плоско­сти пластину 1 турмалина с опти­ческой осью ОО'. Естественный свет, направленный перпендику­лярно пластине 1, проходит ее, полностью поляризуясь. Электри­ческие колебания поляризованно­го света происходят в мысленной главной оптической плоскости П, содержащей оптическую ось ОО' и луч (рис. 18.9). Интенсивность поляризованного луча J₀ =0.5_Jест, Вт/м². Если за пластиной 1 расположить точно такую же пластину 2 (рис. 18.10) и вращать ее вокруг направле­ния луча, то интенсивность J света за второй пластиной меня­ется в зависимости от угла а между оптическими осями крис­таллов по закону Малюса J = J_ocos²a, Вт/м².

Согласно закону Малюса, интенсивность прошедшего через обе пластины света изменяется от минимума — полное гашение света при а = /2, до максимума — при а = 0. Однако, как очевидно на рис.18.10, амплитуда световых колебаний , про­шедших через пластину 2, будет меньше амплитуды световых колебаний Е₀, падающих на нее, Е = Е ₀cos a, В/м.

Обратим внимание на то, что закон Малюса получен на ос­новании последнего равенства, исходя из того, что интенсив­ность света пропорциональна квадрату амплитуды.

Физическое содержание поляризации света в турмалине следующее. Первая пластина пропускает электрические коле­бания вдоль плоскости П (рис. 18.9). Вторая пластина в зави­симости от ее ориентации пропускает часть поляризованного пластиной 1 света. Количественно эта часть соответствует ком­поненту , параллельному оси второй пластины. На рис. 18.9 обе пластины расположены так, что направления пропускае­мых ими колебаний в плоскостях П и П' взаимно перпендику­лярны. Следовательно, пластина 1 пропускает колебания в плоскости П, пластина 2 их полностью гасит.

Пластину 1, преобразующую естественный свет в плоско-поляризованный, называют поляризатором. Пластину 2, по­зволяющую обнаруживать явление поляризации, называют анализатором. Обе пластины совершенно одинаковы. Но без анализатора невозможно обнаружение явления поляризации.

В плохую погоду обледенение крыльев самолета не видно. Корочку льда можно хорошо разглядеть с помощью поляризо­ванного света и поляризационного фильтра.