На границе двух диэлектриков

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор, убеждаемся в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы.

Исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикуляр­ные плоскости падения (на рис.4.2.1 они обозначены точками), в прелом­ленном колебания, параллельные плоскости падения (изображены стрел­ками). Степень поляризации (степень выделения световых волн с определенной ориентацией электрического вектора зависит от угла падения лучей и показателя преломления. Шотландский физик Д. Брюстер установил закон, согласно ко­торому при угле падения iв (угол Брюстера), определяемого соотноше­нием

tgi_в=n₂₁ (4.2.1)

рис 4.2.1.

(n21- показатель преломления второй среды относительно первой), отраженный луч является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения) (рис.4.2.2). Преломленный же луч при угле падения i_b поляризуется максимально, но не полностью. Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Все анизотропные кристаллы обладают способностью двойного лучепреломления, т. е. раздваивания каждого падающего на них светового пучка. Это явление, в 1669 г. впервые обнаруженное датским ученым Э. Бартолинном для исландского шпата (разновидность кальцита СаСО3), объясняется особенностями распространения света в анизотропных

средах и непосредственно вытекает из уравнения Максвелла. 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.4.2.3). Даже в этом случае, когда первичный пучок падает на кристалл нормально, преломленный пучок разделяется на два, причем один из них является продолжением первичного, а второй отклоняется (рис.4.2.5). Второй из этих лучей получил название необыкновенного (е), а первый обыкновенного (о).

рис 4.2.2.

В кристалле исландского шпата имеется единственное направление, вдоль которого двойное лучепреломление не наблюдается. Направление в оптически анизотропном кристалле, по которому луч света распространя­ется, не испытывая двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла. В данном случае речь идет именно о направлении, а не о прямой линии, проходящей через какую-то точку кристалла. Кристаллы в зависимости от типа их симметрии бывают одноосные и двухосные, т.е. имеют одну или две оптические оси.

рис 4.2.3.

рис 4.2.4.

Плоскость, проходящая через направление луча света и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью (или главным сечением криста­лла). Анализ поляризации света показывает, что вышедшие из кристалла лучи плоско поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях: коле­бания светового вектора 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. Очевидно, что 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 n для него есть величина постоянная. Для необыкно­венного же луча угол между направлением колебаний 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 ne необыкновен­ного луча является переменной величиной, зависящей от направления луча. Таким образом, обыкновенный луч подчиняется закону преломления (отсюда и название "обыкновенный"), для необыкновенного луча этот закон не вы­полняется. После выхода из кристалла, если не принимать во внимание по­ляризацию во взаимно перпендикулярных плоскостях, эти два луча ничем друг от друга не отличаются.

Как уже рассматривалось, обыкновенные лучи распространяются в крис­талле по всем направлениям с одинаковой скоростью v0 = с/п0, а необыкновенные - с равной скоростью vе = с/nе. Различие в vе и v0 для всех направлений, кроме направления оптической оси, и обусловливает

явление двойного лучепреломления света в одноосных кристаллах. Если nе >nо, то одноосный кристалл называется положительным; если ne<no, то кристалл называется отрицательным.