4. Двойное лучепреломление. Поляроиды

Как известно, в природе существуют анизотропные вещества, оптические свойства которых по разным направлениям различны. К таким материалам можно отнести, например, кристаллы исландского шпата и кварца. В естественном луче колебания вектора происходят по всем направлениям, а так как свойства кристаллов в разных направлениях различны, то колебания вектора напряженности электрического поля в различных плоскостях происходят неодинаково, возникают как бы лучи с разным значением Е – на границе раздела двух сред они преломляются различно. Это означает, что колебания, происходящие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, которые характеризуются двумя компонентами вектора напряженности электрического поля (Е_х и Е_у), фактически имеют разные показатели преломления. При этом наблюдается раздвоение луча, или двойное лучепреломление: естественный свет, войдя в кристалл исландского шпата, раздваиваются на два луча, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Для одного из них выполняются законы преломления и поэтому этот луч называют обыкновенным, для другого – не выполняются, и луч называют необыкновенным.

Направления, вдоль которых нет двойного лучепреломления и оба луча (обыкновенный и необыкновенный) распространяются с одной скоростью, называют оптическими осями кристалла. Если такое направление одно, то кристаллы называют одноосными. Плоскость, проходящую через падающий луч и оптическую ось кристалла, называют главным сечением кристалла.

Лучи обыкновенные и необыкновенные являются одновременно лучами поляризованными; обыкновенный луч поляризован в плоскости главного сечения, а необыкновенный луч – в плоскости, перпендикулярной плоскости главного сечения.

Двоякопреломляющие кристаллы непосредственно не используются как поляризаторы, так как пучки обыкновенных и необыкновенных лучей выходят из кристалла под очень малым углом друг к другу или даже перекрываются. Чтобы «развести» эти лучи, пользуются различными поляризующими призмами. Наибольшее распространение получила призма Николя, или николь. Она состоит из кристалла исландского шпата, имеющего форму параллелепипеда (рис. 5.33). Кристалл разрезается наклонно по плоскости BEDP на две части, а затем склеивается канадским бальзамом.

Пусть естественный луч падает на нижнюю грань призмы (рис. 5.34) в плоскости главного сечения (плоскости чертежа) под таким углом, что преломленные лучи, раздвоившись, идут параллельно продольным ребрам. Необыкновенный луч, дойдя до слоя канадского бальзама, вступает в него как в среду более преломляющую (показатель преломления канадского бальзама 1,549, а исландского шпата для таких необыкновенных лучей – 1,515) и продолжает путь не отклоняясь, так как слой канадского бальзама очень тонок. Обыкновенный луч (для которого показатель преломления исландского шпата равен 1,658) встречает слой бальзама как среду менее преломляющую и, так как угол его падения больше предельного угла, испытывает полное отражение и поглощается зачерненной гранью призмы. Из призмы выходит только необыкновенный луч. Направление колебаний вектора показано на рисунке 5.34.

В некоторых кристаллах один из лучей поглощается сильнее другого. Это явление называется дихроизмом. Очень сильным дихроизмом в видимых лучах обладает кристалл турмалина. Это обстоятельство использовано для изготовления поляризационного устройства, называемого поляроидом. Оно представляет собой целлулоидную пленку, в которую введено большое количество одинаково ориентированных кристаллов сульфата йодистого калия.

Такие устройства, как поляроиды и призмы, могут работать как поляризаторы и анализаторы. Опыт показывает, что некоторые кристаллы и растворы при прохождении через них поляризованного луча поворачивают плоскость его поляризации, причем угол поворота плоскости колебаний светового вектора пропорционален пути, пройденному светом в этом веществе. Вещества, вращающие плоскость поляризации, называют оптически активными. К их числу принадлежат кварц, раствор сахара в воде и др.

Явление поляризации широко используются в народном хозяйстве. Оно применяется для определения концентрации растворов оптически активных веществ, для определения упругих напряжений, возникающих в результате механических нагрузок, особенно при быстро протекающих процессах.