Поляризация света кристаллом
Обычные диэлектрики анизотропны и особенности света при попадании на них зависят главным образом от угла падения. Свойства кристаллов отличаются, при попадании на них света можно наблюдать эффект двойного преломления лучей. Это проявляется так: при прохождении через структуру образуется два преломленных луча, которые идут в разных направлениях, их скорости также различаются.
Чаще всего в экспериментах используют одноосные кристаллы. В них один из пучков преломления подчиняется стандартным законам и именуется обыкновенным. Второй образуется иначе, его называют необыкновенным, так как особенности его преломления не соответствуют обычным канонам.
Так выглядит двойное лучепреломление на схеме.
Если вращать кристалл, то обыкновенный луч останется неизменным, а необыкновенный будет перемещаться по окружности. Чаще всего в экспериментах используют кальцит или исландский шпат, так как они хорошо подходят для исследований.
Кстати! Если посмотреть на окружающую обстановку через кристалл, то очертания всех объектов будут раздваиваться.
Этьен Луи Малюс сформулировал закон в 1810
Видео-урок: Поляризация света, физика 11 класс.
Поляризация искусственного и естественного света
В большинстве своем свет, который мы видим вокруг себя является неполяризованным.
Линейно поляризованный свет исходит от лазерных источников.
При отражении или рассеянии свет может стать поляризованным. Например, голубой свет от неба полностью или частично поляризован.
Определение
Частичная поляризация света – это нестабильное соотношение между составляющими света, которые могут изменяться во времени, зависят от величин световой оси.
Но свет, который излучают естественные или искусственные источники, например, солнечный свет, излучение ламп накаливания, вектор напряженности колеблется в разных направлениях, такой свет является неполяризованным. Свет, исходящий от такого рода источников, состоит из вкладов огромного числа независимо излучающих атомов, они обладают разной ориентацией светового вектора \ в волнах, которые они излучают. Поэтому в результирующей волне вектор во времени хаотично изменяет свою ориентацию, в результате получаются в среднем равноправные направления колебаний.
Естественный свет — это другое название неполяризованного света.
Степень поляризации естественного света будет зависеть от угла падения и материала отраженных поверхностей.
Вектор \ может быть спроецирован на 2 плоскости, которые взаимно перпендикулярны, в любой момент времени.
Рис. 7. Разложение вектора \ по осям
Это означает, что поляризованную и неполяризованную волну можно представить как суперпозицию двух линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях волн: \.
При этом в поляризованной волне обе составляющие Ex (t) и Ey (t) когерентны, то есть разность фаз между Ex (t) и Ey (t) постоянна, а в неполяризованной волне составляющие Ex (t) и Ey (t) – некогерентные, то есть разность представляет собой случайную функцию времени.
Явление двойного лучепреломления света можно объяснить тем, что во многих кристаллических веществах показатели преломления волн различны, при этом они линейно поляризованы, а плоскости взаимно перпендикулярны.
Это объясняет тот факт, что кристалл исландского шпата раздваивает проходящие через него лучи (РИСУНОК 1). На выходе из кристалла два луча линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Анизотропные кристаллы — это материалы, в которых происходит двойное лучепреломление.
С помощью разложения вектора \ на составляющие по осям можно разъяснить закон Малюса (РИСУНОК 2).
Определение
Дихроизма — это явление, которое заключается в различной степени поглощении веществом света в зависимости от его поляризации. У большей части кристаллов поглощение света напрямую зависит от направления электрического вектора в световой волне.
Этой особенностью обладают пластины турмалина, которые использовал Малюс в своих опытах. Имея определенную толщину пластина турмалина почти полностью поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн (например, Ex) и частично пропускает вторую волну (Ey).
Направление колебаний электрического вектора в прошедшей волне называется разрешенным направлением пластины.
Пластину турмалина можно применить для получения поляризованного света, тогда она выступает в роли поляризатора, или для анализа поляризации света, тогда она является анализатором.
В настоящее время активно используются искусственные дихроичные пленки — поляроиды. Они почти целиком пропускают волну разрешенной поляризации, но не пропускают волну, поляризованную в перпендикулярной плоскости. Приходим к выводу, что поляроиды — это идеально подходящие поляризационные фильтры.
На рисунке 8 представлено прохождение естественного света через два идеальных поляроида П1 и П2, при этом разрешенные направления их повернуты друг относительно друга на некоторый угол φ.
Первый поляроид является катализатором, он превращает естественный свет в линейно поляризованный.
Второй поляроид в данной паре выступает в роли анализатора, служит для анализа характера поляризации, падающего на него света.
Рис 8. Прохождение естественного света через два идеальных поляроида, где yy’– разрешенные направления поляроидов
Амплитуду линейно поляризованной волны после прохождения света через первый поляроид можно обозначить в виде \[E_{0}=\sqrt{I_{0} / 2}\], это приводит к тому, что пропущенная вторым поляроидом волна будет иметь амплитуду E = E cos φ.
Получаем, что интенсивность поляризации света I линейно поляризованной волны на выходе второго поляроида будет записана следующим образом: \.
Это доказывает, что в электромагнитной теории света, закон Малюса можно объяснить путем разложения вектора \ на составляющие.
Рис. 9. Модель поляризации света
Рис. 10. Модель закона Этьена Малюса
1.1. Естественный и поляризованный свет
Поляризация –
свойство света, связанное с поперечностью электромагнитных волн и
описывающее пространственное поведение векторов электрического и магнитного
полей. Из уравнений Максвелла для монохроматических волн (4.1) вытекает, что,
волновой вектор k, вектора E и H взаимно ортогональны и
составляют правую тройку (рис. 4.1).
(4.1)
Это позволяет ограничиться рассмотрением ориентации вектора
электрической напряженности. Именно его поведение и определяет состояние
поляризации света.
Проекции электрического вектора световой волны,
распространяющейся вдоль оси Z, могут быть записаны как
.
Исключая из этих уравнений переменную часть фазы wt–kz, получаем уравнение, описывающее
движение конца вектора E в плоскости XY:
, (4.2)
где d = dy – dx – разность фаз проекций
электрического вектора. В общем случае траектория, задаваемая (4.2)
представляет собой эллипс (см. рис. 4.2). В соответствии с формой описываемой
кривой, такая поляризация называется эллиптической. Вид эллипса
зависит от соотношения амплитуд проекций и разности фаз d. Так при d = mp уравнение (4.2) переходит в
. (4.3)
Это – уравнение отрезка прямой в плоскости XOY. При распространении
волны колебания вектора E происходят в фиксированной плоскости,
называемой плоскостью поляризации, поэтому поляризация волны
называется линейной или плоской. Именно такая волна
изображена на рис. 4.1, плоскостью поляризации является плоскость XOZ.
Если амплитуды проекций равны E0x = E0y = E
и фазовый сдвиг , то из (4.2) получаем:
, (4.4)
то есть уравнение окружности. Такая поляризация называется круговой
или циркулярной.
Несколько примеров эллипсов поляризации при фиксированном
отношении Ex / Ey и изменении d показаны на рис. 4.3. Видно, что
описываемые кривые могут отличаться не только формой, но и направлением
вращения. В соответствии с этим, эллиптическая или круговая поляризация может
быть правой или левой. Поляризация считается
правой, если электрический вектор вращается по часовой стрелке (при наблюдении
навстречу волне).
 |
EнеполяризованныместественнымE
Возможна ситуация, когда в источнике существует некоторая
корреляция между излучателями. Тогда, несмотря на хаотичность движения вектора E,
вероятности разных ориентаций E неодинаковы (рис. 4.4б). Это – частично
поляризованный свет. Наконец, если все атомы испускают свет с
одинаковой поляризацией, излучение источника в целом будет полностью
поляризованным. Такая ситуация типична для лазеров, в которых атомы
взаимодействуют друг с другом через поле излучения (рис. 4.4в,г).
Откуда берется
Световой поток, который попадает в наше окружение, в основном неполяризован. Излучение от солнца, лампочек – свет, где вектор колеблется в разных направлениях. Если работа за компьютером и монитор жидкокристаллический, то в нем поляризованный источник.
Чтобы видеть поляризованный свет, надо естественный поток пропустить через анизотропную сферу. Она и есть поляризатор, который отрезает ненужные направления колебаний, сохраняя одно.
В числе поляризаторов применяются кристаллы. Одним из природных, часто применяемых – турмалин.
Еще методом извлечения поляризованного потока излучения является отражение с диэлектрика. Если луч опускается в рубеж области 2-ух сфер, поток делится на отображенный и надломленный. Лучи получаются отчасти поляризованными, при этом степень поляризации находится в зависимости от угла падения.
Применение поляризации света
Поляризационные фильтры используются в фотографии для устранения бликов, создаваемых отраженным светом от отражающих поверхностей, таких как вода.
Они также используются для устранения бликов, создаваемых частично поляризованным голубым светом неба, что позволяет получать более контрастные фотографии.
В химии, а также в пищевой промышленности инструмент под названием поляриметр, что позволяет измерять концентрацию определенных веществ, которые в растворе вызывают поворот угла поляризации.
Например, благодаря прохождению поляризованного света и с помощью поляриметра можно быстро определить концентрацию сахара в соках и напитках, чтобы убедиться, что она соответствует стандартам производителя и санитарным нормам.
Принцип функционирования
Чтобы разобраться в действии поляризации, взгляните на последний рисунок в статье. Здесь отображен стабильный вертикальный паз, функционирующий в качестве поляризатора, а также две волны, смещающиеся в едином направлении. Однако одна из них колеблется вертикально, а вторая – горизонтально. Что же с ними происходит в поляризаторе?
Когда вертикально осциллирующая волна пробивается сквозь вертикально политизированное пространство, то все остается неизменным. Если же это горизонтальная позиция, то происходит блокировка волны и она останавливается.
На рис. 4 слева отображены блики, которые усложняют просмотр явления. Справа – поляризованная линза, устраняющая помехи для наблюдения. Схематический принцип работы отображен на рис. 5. Многие световые источники остаются неполяризованными, а волны распространяются во всех направлениях. Поляризованные линзы собирают их в единую направленность и минимизируют дефекты.
Поляризованный фильтр обладает осью поляризации, функционирующей в качестве щели. Направленность поляризации электромагнитной волны – направление электрического поля
На двух снимках видна река: (b) – Сделана с поляризационным фильтром, (a) – без него. Поляризационные солнцезащитные очки особенно полезны при столкновении со снегом или водой
Проход света сквозь поляризатор
Применение в истории
Несмотря на то что впервые явление поляризации было открыто в 1871 году учёным удалось подробно его объяснить лишь в средине прошлого века. Как бы там ни было, есть исторические сведения, что оно использовалось викингами-моряками для навигации более одной тысячи лет тому назад. В большинстве случаев главным ориентиром для них служило солнце. Однако в облачную погоду они пользовались так называемым солнечным камнем. Есть все основания предполагать, что он представлял собой некий прозрачный минерал, что имел поляризационные свойства. Ориентиром при этом являлась появляющаяся на небе более тёмная полоса. Чтобы доказать предположение историков и действенность такого рода навигации, некоторое время назад норвежский лётчик совершил полёт на небольшом самолёте из родной страны в Гренландию, используя в виде ориентира лишь кристалл кордиерита – минерала с аналогичными солнечному камню характеристиками.
Фильтры
Существует ряд фильтров, которые способны пропускать лишь лучи с определённой ориентацией. Если смотреть через них на поляризованный световой поток и одновременно поворачивать, будет меняться яркость. В том случае, когда поляризация света будет совпадать с направлением пропускания, она станет максимальной, а при полном расхождении – минимальной. Приобрести такие фильтры можно в обычных магазинах, специализирующихся на продаже фототехники. При взгляде через них на чистое небо, при условии что Солнце находится сбоку, в определенный момент во время поворачивания станет видна полоса чёрного цвета. Она является доказательством того, что исходящие от этого участка неба световые волны являются поляризованными.
Что собой представляют световые явления в физике
Процессы, связанные с распространением видимого света в вакууме или веществе (газ, прозрачная для света материя, например, стекло), относятся к световым. Карандаш, который кажется сломанным после опускания в стакан, наполовину заполненный водой; увеличивающиеся и искажающиеся лица при взгляде в кривые зеркала; образовавшаяся радуга – явления, досконально изученные оптикой. Ниже – примеры распространённых световых явлений в физике.
Цвет
Трава зелёная, потому что в ней есть вещество хлорофилл, которое из видимого спектра поглощает все электромагнитные волны, кроме зелёных. Отражаясь, они становятся восприимчивы человеческим зрением.
Второй аспект – спектральный состав лучей, освещающих объект. Смотрели на привычный мир через цветовые фильтры или разноцветные стёкла? Цвет окружающих вещей изменяется. Под лучами солнца трава зелёная. Если её осветить жёлтым цветом, она потемнеет: жёлтый свет растением поглотится, а зелёного, который отразится и попадёт на сетчатку глаза, в световом потоке нет.
Тень и полутень, прямолинейность распространения
В прозрачной однородной среде траектория распространения световых лучей – идеально ровная прямая. Явление объясняет понятие тени, полутени, затмения. Если источник имеет крохотные габариты по отношению к расстоянию от него до освещаемого тела, последнее отбрасывает тень. Крупные источники света или расположенные вблизи с предметом создают тень и полутень.
Преломление и отражение
Преломление световых лучей возникает при переходе света между средами, где свет распространяется с разной скоростью. Отражение – способ взаимодействия электромагнитных волн со средой, вследствие которого волновой фронт отражается в среду, откуда пришёл.
Приборы для управления светом
Линзы – одни из первых оптических приборов, применяющихся для сбора, рассеивания, перенаправления световых пучков. Плоские и кривые зеркала (гиперболические, параболические) – отполированные поверхности с коэффициентом отражения ~90%. Отражают находящиеся перед ними предметы.
Дисперсия света в природе
Такое природное явление как переливание лучей на граненых изделиях из стекла оказывается возможным благодаря дисперсии.
Замечание
Под дисперсией подразумевается эффект отражения зависимости показателя преломления, вещества или среды от частоты волны света, которая проходит сквозь объект.
Рост показателя преломления происходит в случае увеличения частоты, либо уменьшения длины волн. Самым известным примером природной дисперсии является радуга, которая создается путем рассеивания лучей солнца при прохождении через множество каплей дождя.
Проходя через призму, поток света распадается на цветовой спектр, который довольно детально был рассмотрен еще Ньютоном. В результате выполненных им исследований в 1672 году была открыта дисперсия.
Стоит отметить, что научный интерес к световым характеристикам проявился еще несколько тысячелетий назад. Еще Аристотелем было обнаружено свойство светового потока – проявлять себя в разных оттенках. Древнегреческий философ указывал на зависимость характера цвета от присутствующего в белом свете «количества темноты». По сути, белый цвет является главным для лучей света.
Исаак Ньютон смог опроверг вышеупомянутую теорию. Он смог доказать, что структурно белый свет является составным, и в его формировании задействованы все цвета спектра света. Он ставил опыты, которые актуальны и в наше время. Как пример, сейчас проводятся такие эксперименты:
- скрещивание призм;
- применением зеркала и двух призм;
- пропуск света через перфорированный экран и призмы.
Свет раскладывается на цветовой спектр из-за различной скорости прохождения волн (частота и длина) через вещество с прозрачными свойствами. Вследствие этого удалось выяснить, что некоторые волны способны выходят из призмы быстрее других. Такой способ помогает осуществить разложение потока света.
Благодаря последующим исследованиям были совершены новые открытия, так или иначе относящиеся к дисперсии. Как пример, французским ученым Леру было установлено нарушение в определенных средах зависимости, которые выражали явление дисперсии. Более тщательно данный вопрос был изучен Кундтом.
В качестве основы для своих исследований Кундт задействовал метод Ньютона с использованием пары скрещенных призм. Однако он внес в данный опыт небольшое изменение – она из призм была заменена на призматический сосуд, который содержал в себе раствор цианида.
Как в итоге оказалось, при прохождении света через призмы показатель преломления не уменьшается, как это демонстрировали опыты Ньютона, а наоборот, растет. Физику удалось выяснить, что этот парадокс может быть объяснен поглощением света веществом. В своем опыте он прибегнул к раствору цианида, который был задействован в качестве среды поглощения, а дисперсия для случаев такого типа была названа аномальной.
Сейчас физике данный термин используется крайне редко. В наше время нормальная и аномальная разновидности дисперсии рассматриваются как два явления с единой природой, которые относятся к одному учению.
История открытия
Открытию поляризованных световых волн предшествовали работы многих учёных. В 1669 г. датский учёный Эразм Бартолин сообщил о своих опытах с кристаллами известкового шпата (CaCO3), чаще всего имеющими форму правильного ромбоэдра, которые привозили возвращающиеся из Исландии моряки. 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 двадцать лет после опытов Э
Бартолина его открытие привлекло внимание нидерландского учёного Христиана Гюйгенса. Он сам начал исследовать свойства кристаллов исландского шпата и дал объяснение явлению 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 далеко 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 дальнейшего разложения этих лучей уже не происходит
Если же второй ромбоэдр повернуть на 180 градусов вокруг направления распространения обыкновенного луча, 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 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 Х. Гюйгенса И. Ньютон, придерживавшийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света.
В 1808 г. французский физик Этьен Луи 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 только 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.
Откуда берется поляризованный свет?
Свет, который мы видим вокруг себя, чаще всего неполяризован. Свет от лампочек, солнечный свет – это свет, в котором вектор напряженности колеблется во всех возможных направлениях. Но если вам по роду деятельности приходится весь день смотреть в ЖК-монитор, знайте: вы видите поляризованный свет.
Чтобы наблюдать явление поляризации света, нужно пропустить естественный свет через анизотропную среду, которая называется поляризатором и «отсекает» ненужные направления колебаний, оставляя какое-то одно.
Анизотропная среда – среда, имеющая разные свойства в зависимости от направления внутри этой среды.
В качестве поляризаторов используются кристаллы. Один из природных кристаллов, часто и давно применяемых в опытах по изучению поляризации света — турмалин.
Еще один способ получения поляризованного света — отражение от диэлектрика. Когда свет падает на границу раздела двух сред, луч разделяется на отраженный и преломленный. При этом лучи являются частично поляризованными, а степень их поляризации зависит от угла падения.
Связь между углом падения и степенью поляризации света выражается законом Брюстера.
Когда свет падает на границу раздела под углом, тангенс которого равняется относительному показателю преломления двух сред, отраженный луч является линейно поляризованным, а преломленный луч поляризован частично с преобладанием колебаний, лежащих в плоскости падения луча.
Линейно поляризованный свет — свет, который поляризован так, что вектор E колеблется только в одной определенной плоскости.
Поляризация возникает при отражении, преломлении, прохождении света
Когда естественный свет направлен на границу раздела двух диэлектриков, например, воздуха и стекла, то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Если на пути отраженного и преломленного света анализатор (например, турмалин), то отраженный и преломленный лучи будут частично поляризованы.
При поляризации света при отражении преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения
При поляризации света при преломлении наблюдаются в большом количестве колебания, параллельные плоскости падения.
Дифракция поляризованного света доказывает, что свет имеет волновую природу, свет может отклонять направление волны от прямолинейного при огибании препятствий.
Интерференция поляризованного света указывает на поперечность световых колебаний, она возникает только в случае, если колебания лучей совершаются в одном направлении.
Свойства света
Так как свет обладает диализом, он показывает волновые свойства, а в некоторых опытах проявляет себя как частицы. Поляризация, как и сказано выше, раскрывает его волновой характер. И, ко всему прочему, доказывает поперечность его волн. Такой вывод был сделан исходя из опытов Малюса. Он пропускал луч света через турмалиновые пластины, поворачивая их на угол φ относительно друг друга.
На рисунке ниже этот эксперимент проиллюстрирован.
Так, интенсивность свечения была прямо пропорциональна cos²φ.
\(I \approx cos²φ.\)
Преломление луча на двое не может существовать с точки зрения продольного характера волн. Для него характерно представление направления луча в качестве оси симметрии. В то время как для поперечных колебаний характерна асимметрия. Это и стало еще одним решающим признаком, выделяющим природу поперечного движения волн света.
А в середине 60-х годов девятнадцатого века Джеймс Клерк Максвелл сделал вывод о том, что свет – это электромагнитные волны. Такое решение было принято на основании совпадения известного значения скорости света и скорости распространения электромагнитных волн. Уже к этому времени поперечность световых волн была доказана. Поэтому Максвелл справедливо полагал, что поперечность электромагнитных волн является еще одним важнейшим доказательством электромагнитной природы света.
Откуда берется поляризация света и как ее получить самостоятельно
Большая часть света, который мы видим, не поляризована. Солнце, искусственное освещение – световой поток с вектором, колеблющимся в разных направлениях, распространяется во все стороны без каких-либо ограничений.
Поляризованный свет появляется после того, как он прошел через анизотропную среду, которая может иметь разные свойства. Эта среда убирает большую часть колебаний, оставляя единственное, что и обеспечивает нужный эффект.
Чаще всего в качестве поляризатора выступают кристаллы. Если раньше применялись в основном природные материалы (например, турмалин), то сейчас есть много вариантов искусственного происхождения.
Также поляризованный свет можно получить за счет отражения от любого диэлектрика. Суть заключается в том, что при попадании светового потока в место соединения двух сред он преломляется. Это несложно увидеть, поместив карандаш или трубочку в стакан с водой.
Этот принцип используется в поляризационных микроскопах.
При явлении преломления света часть лучей поляризуется. Степень проявления этого эффекта зависит от расположения источника света и угла его падения относительно места преломления.
Что касается способов получения поляризованного света, то независимо от условий используется один из трех вариантов:
Призма Николя. Названа в честь шотландского исследователя Николя Уильяма, который изобрел ее в 1828 году. Он проводил эксперименты длительное время и через 11 лет смог получить готовый прибор, который в неизменном виде применяется до сих пор.
Отражение от диэлектрика
Тут очень важно подобрать оптимальный угол падения и учитывать степень преломления (чем больше разница в светопропускаемости двух сред, тем сильнее преломляются лучи).
Использование анизотропной среды. Чаще всего для этого подбирают кристаллы с подходящими свойствами
Если направить на них световой поток, на выходе можно наблюдать его параллельное разделение.
