Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков

Если угол падения света на границу раздела двух ди­электриков не равен нулю, отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными³. В от­раженном луче преобладают колебания, перпендикуляр­ные к плоскости падения (на рис. 14 они обо­значены точками), в преломленном луче — колебания, параллельные плоскости падения (на рисунке они изо­бражены стрелками). Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления. Шотландский физик Д. Брюстер (1781-1868) в 1815 г. установил закон, согласно которому угол полной поляризации _B зависит от относительного показателя преломления отражающей среды

. (3)

. Следовательно ,

но = - закон отражения, поэтому .

Отраженный луч является плоскополяризованным (со­держит только колебания, перпендикуляр­ные плоскости падения), пре­ломленный луч пре­ломленный луч оказывается частично по­ляризованным. Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендику­лярны.

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена (многократным преломлением при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера). Если, на­пример, для стекла степень по­ляризации преломленного луча составляет 15 %, то после преломления на 8-10 наложенных друг на друга стеклянных пластинок вышедший из такой системы свет будет практически полностью поляри­зованным. Такой набор пластинок называется стопой Столетова.

Двойное лучепреломление. Призма Николя

Все прозрачные кристаллы (кроме кристаллов кубической системы, которые оптически изотропны) обладают способно­стью двойного лучепреломления, т. е. раз­двоения каждого падающего на них светового пучка. Это явление, в 1669 г. обнаружено датским ученым Э.Бартолином (1625—1698) для исландского шпата (разновидность каль­цита СаСОз).

Если на толстый кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу (рис. 15). Даже в том случае, когда первичный пучок пада­ет на кристалл нормально, преломленный пучок разделяется на два, причем один из них является продолжением первичного, а второй отклоняется (рис.16). Второй из этих лучей получил название необыкно­венного (е), а первый — обыкновенно­го (о).

Анализ поляризации света показывает, что вышедшие из кристалла лучи плоско поляризованы во взаимно перпенди-кулярных плоскостях: колебания светового вектора (вектора на­пряженности электрического поля) в обыкновенном луче происходят перпен­дикулярно главной плоскости, в необыкно­венном — в главной плоскости.

Неодинаковое преломление обыкно­венного и необыкновенного лучей указы­вает на различие для них показателей преломления. При любом направлении обыкновенного луча колеба­ния светового вектора перпендикулярны оптической оси кристалла, поэтому обык­новенный луч распространяется по всем направлениям с одинаковой скоростью и, следовательно, показатель преломления n₀ для него есть величина постоянная. Для необыкновенного луча угол между на­правлением к олебаний светового вектора и оптической осью отличен от прямого и зависит от направления луча, поэтому необыкновенные лучи распространяются по различным направлениям с разными скоростями. Следовательно, показатель преломления n_e необыкновенного луча яв­ляется переменной величиной, зависящей от направления луча. Таким образом, обыкновенный луч подчиняется закону преломления (отсюда и название «обыкно­венный»), а для необыкновенного луча этот закон не выполняется. После выхода из кристалла эти два луча ничем друг от друга не отличаются, если не принимать во внима­ние поляризацию во взаимно перпендику­лярных плоскостях.

В основе работы поляризационных при­способлений лежит явление двой­ного лучепреломления. Призмы делятся на два класса: 1) призмы, дающие только плоскополяризованный луч (поляризационные при­змы); 2) призмы, дающие два поляризован­ных во взаимно перпендикулярных плоско­стях луча (двоякопреломляющие при­змы).

Поляризационные призмы построены по принципу полного отражения одного из лучей от границы раздела, в то время как другой луч с другим показате­лем преломления проходит через эту гра­ницу. Типичным представителем поляри­зационных призм я вляется призма Николя⁴, называемая часто николем.

Призма Николя (рис.17) представляет собой двойную призму из исландского шпата, склеенную канадским бальзамом с n =1,55. Оптическая ось призмы составляет с входной гранью угол 48°.

Показатель преломления исландского шпата для обык­новенного луча n₀=1,66, а для необыкновенного n_e=1,51. Для обыкновенного луча канадский бальзам является сре­дой оптически менее плотной, а для необыкновенного луча — более плотной, чем исландский шпат. Если естественный луч падает на торцовую грань призмы Николя параллельно основанию призмы АВ, то необыкновенный луч проходит через призму, почти не отклоняясь от первоначаль­ного направления, а обыкновенный луч, претерпев полное отражение от слоя канадского бальзама, поглощается зачерненной поверхностью основания АВ. Таким образом, сквозь призму Николя проходит толь­ко один поляризованный луч (необыкновенный) с электрическими ко­лебаниями в главной плоскости призмы.