Явление двойного лучепреломления и его особенности. Дихроизм.

При прохождении света через все прозрачные кристаллы, кроме кристаллов кубических, наблюдается явление двойного лучепреломления. Это явление наблюдали уже в конце 18 века на кристаллах исландского шпата ( ) .Исландский шпат – это разновидность углекислого кальция с гексагональной решеткой. В таком кристалле изображение предмета двоится.

Если на толстый кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных пучка света параллельных друг другу и падающему пучку (рис.6).

Рис.6.

Даже при нормальном падении света на кристалл получится два луча (рис.7.).

Рис.7. 1 – обыкновенный луч (о), 2 – необыкновенный луч (е)

Луч «о» подчиняется обычному закону преломления света . Для луча «е» это отношение зависит от угла падения. Лучи «о» и «е» поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Разница между лучами по скоростям имеется только внутри кристалла, вне его – нет.

Кристаллы, в которых наблюдается явление двойного лучепреломления, могут быть одноосными и двуосными. В одноосных (полевой шпат, кварц) имеется одно направление, вдоль которого лучи «о» и «е» имеют одинаковую скорость и поэтому идут вместе, не разделяясь. Это направление называется оптической осью кристалла. Оптических осей много. Все линии параллельные данному направлению есть оптические оси. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла. Обычно главной плоскостью называется сечение, проходящее через падающий луч и оптическую ось. Колебания светового вектора в луче «е» параллельно главной плоскости кристалла, в луче «о» перпендикулярно главной плоскости.

В двуосных кристаллах (слюда) таких направлений, где лучи «о» и «е» не разделяются два (слюда).

Разные кристаллы по разному поглощают лучи «о» и «е». Это явление называется дихроизмом. Кристаллы турмалина при толщине 1мм полностью поглощают обыкновенный луч и поэтому могут быть использованы для получения плоскополяризованного света. В кристаллах исландского шпата интенсивности этих лучей примерно одинаковы.

Для получения плоскополяризованного света используются приборы, которые получили название поляризаторов. В основе их лежит одно из трех явлений:

1. отражение света на границе двух прозрачных сред
2. дихроизм
3. двойное лучепреломление

В качестве поляризатора можно использовать пластинку из турмалина. Вследствие дихроизма она пропускает только лучи «е». Большое распространение в качестве поляризатора получила призма Николя. Она состоит из кристалла исландского шпата. Его разделяют по малой диагонали и склеивают канадским бальзамом (пихтовая смола). Показатель преломления канадского бальзама меньше, чем у исландского шпата, благодаря чему луч «о» испытывает полное внутреннее отражение и гасится зачерненной гранью. Выходит только плоскополяризованный луч «е» (рис.8).

Рис.8.

Оптическая ось О-О¹ с входной гранью образует угол . Канадский бальзам имеет показатель преломления , , .

Любой поляризационный прибор ослабляет интенсивность естественного света в два раза (рис.9).

Рис.9.

Луч идет в главной плоскости. Угол , угол между и , - угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризатора. В кристалле луч разлагается на два луча. В луче, где колебания светового вектора параллельны оптической оси – проходит, а луч, где колебания светового вектора перпендикулярны оптической оси – не проходит. Пусть - амплитуда колебаний светового вектора . Как видно из рисунка . Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды ( ). То есть . Поскольку в естественном свете все равновероятны, интенсивность проходящего света пропорциональна среднему значению квадрата косинуса, которое равно . Таким образом, где - естественный свет падающий, но поляризованный, поляризованный свет, вышедший из поляризатора. Обозначим интенсивность проходящего поляризованного света через , тогда получим:

.

Интенсивность поляризованного света в два раза меньше интенсивности естественного.

Если после поляризатора поместить такой же поляризатор, то на него будет падать луч с определенным направлением колебаний светового вектора (под определенным углом с главной плоскостью) (рис.10).

Рис.10.

Сквозь второй поляризатор пройдет составляющая колебаний с амплитудой . Следовательно, интенсивность прошедшего света определяется выражением:

.

Это выражение называется законом Малюса.

Поставим на пути естественного света два поляризатора, плоскости которых составляют угол . Из первого поляризатора выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого . Согласно закону Малюса из второго поляризатора выйдет свет интенсивности . Интенсивность света, прошедшего второй поляризатор равна:

.

Максимальная интенсивность, равная получается при (поляризаторы параллельны). При интенсивность равна нулю (скрещенные поляризаторы света не пропускают).