Поляризационные устройства. Дихроизм

Двулучепреломляющие кристаллы (исландский шпат, кварц, натронная селитра и др.) можно использовать для получения линейно поляризованного света, но удобнее для этого так называемые поляризационные призмы – склеенные прозрачным клеем кристаллические трехгранные призмы со специально подобранными углами, из которых хотя бы одна вырезана из оптически анизотропного кристалла.

а б

Рис. 4. Поляризационные призмы Глана (а) и Волластона (б). У кристаллов указаны направления оптических осей.

При преломлении в одной призме луч разделяется на две фракции. При преломлении на границе первой и второй призм либо одна из фракции отражается назад или на затемненную грань (см. рис. 4 а). Такие поляризационные призмы называются однолучевыми. Либо угол между направлениями распространения фракций увеличивается настолько, что их можно использовать независимо (см. рис. 4 б). Такие поляризационные призмы называются двулучевыми. В честь создателя первой поляризационной призмы шотландского ученого У. Николя такие поляризационные устройства иногда называют николями.

Третий способ получения линейно поляризованного света – использование так называемых дихроичных кристаллов. Дихроизм (греч. двуцветный) – различное поглощение света в зависимости от его поляризации. Дихроизм бывает линейный – различное поглощение света двух взаимно перпендикулярных поляризаций, и круговой – различное поглощение света с правой и левой круговой поляризацией. Проще объяснить линейный дихроизм. В связи со строением кристаллической решетки электроны могут оказаться более подвижны в одном направлении, чем в перпендикулярном ему. Фракция, поляризованная в том направлении, в котором электроны более подвижны, тратит больше энергии на раскачку электронов и быстрее затухает. В конечном счете, эта энергия переходит в тепло.

Самый известные линейно дихроичные кристаллы – турмалин и герапатит (сульфат йодистого хинина). При прохождении через пластину турмалина толщиной в 1 мм обыкновенный луч практически полностью поглощается.

Еще удобнее, чем кристаллические пластины т. н. поляроиды. Поляроид представляет собой прозрачную пленку, в которую внедрены мельчайшие кристаллы или молекулы полимера с сильным линейным дихроизмом. Для сохранности поляризующая пленка защищена с двух сторон прозрачными пластинами. Поляроид действует как единый дихроичный кристалл.

Устройства, с помощью которых можно получить линейно поляризованный свет, называются поляризаторами. Плоскость, в которой они поляризуют проходящий через них свет, называется плоскостью пропускания данного поляризатора. Те же самые приспособления могут быть использованы для анализа степени и направления поляризации световой волны. В этом случае их называют анализаторами.

Закон Малюса

Если на поляризатор падает линейно поляризованный свет с вектором напряженности Е, и плоскость колебаний составляет угол a с плоскостью поляризатора, то в волне, прошедшей через идеальный поляризатор, остается только компонента Е ₁, параллельная плоскости поляризатора (рис.6):

Е ₁ = Е cosa, Е ₂= 0.

Поскольку интенсивность пропорциональна среднему квадрату напряженности, то для интенсивности линейно поляризованного света, прошедшего через идеальный поляризатор, получаем соотношение, называемое законом Малюса:

I ₁ = I cos²a. (2)

Рис.6

При падении на поляризатор естественного света, в прошедшей волне, в результате двойного лучепреломления, остается одна из компонент колебаний, параллельная плоскости пропускания (другая поглощается), т.е. естественный свет превращается в линейно поляризованный. Интенсивности, соответствующие взаимно перпендикулярным колебаниям, в естественном свете одинаковы, и равны половине общей интенсивности I_ест. После поляризатора имеем поляризованную волну с интенсивностью одной из ортогональных компонент:

I_прош = I_ест /2. (3)

При попадании на поляризатор частично поляризованного света закону Малюса подчиняется только поляризованная компонента. С учетом (2) и (3) получим:

I_прош = I_пол cos²a + I_ест /2.

При a = 0 интенсивность максимальна, при a = p/2 – минимальна:

I_max = I_пол + I_ест /2,

I_min = I_ест /2.

Поворачивая идеальный поляризатор вокруг оси z, и измеряя интенсивность прошедшего света, можно найти степень поляризации падающего излучения:

(4)

Для плоско поляризованного света I_max = 0 и Р = 1, для естественного света I_max = I_min и Р = 0.

Поляризатор, используемый для анализа поляризации излучения, называют анализатором.