Интерференция поляризованного света

Интерференцию поляризованных лучей можно получить с помощью двух поляроидов и анизотропного образца. Оптическая схема для наблюдения интерференции поляризованных лучей представлена на рис. 13. В указанной схеме когерентность волн обеспечивается первым поляроидом П: при выходе из первого поляроида свет становится линейно поляризованным, и его можно рассматривать как совокупность двух когерентных взаимно перпендикулярных компонент со сдвигом по фазе . Анизотропный образец вырезан так, чтобы оптическая ось была параллельна его передней грани. Если ось первого поляроида П не параллельна (или не перпендикулярна) оптической оси образца, то в последнем образуются обыкновенная и необыкновенная волны, между которыми при выходе из кристалла возникает оптическая разность хода Δ=d(n_e-n_o). Однако эти лучи не обладают способностью интерферировать, т.к. колебания в них взаимно перпендикулярны.

С помощью второго поляроида А эти колебания приводятся к одному направлению. И если ось второго поляроида А не параллельна (или не перпендикулярна) оптической оси кристалла, возникает интерференционная картина. На рис.14 представлена векторная диаграмма сложения колебаний при интерференции поляризованных лучей для скрещенных (Рис.14а) и параллельных (Рис.14б) поляроидов. На рисунке приняты следующие обозначения:

П – направление колебаний, пропускаемых первым поляроидом, т.е. ось первого поляроида, А - ось второго поляроида, 00'- оптическая ось кристалла. Е - вектор-амплитуда колебаний, вышедших из первого поляроида, Е₀ и E_e- амплитуды колебаний обыкновенной и необыкновенной волн в кристалле, E₁ и E₂ - амплитуды колебаний, вышедших из второго поляроида. В первом случае (Рис.14а) из второго поляроида выходят в одном направлении две когерентные волны со сдвигом по фазе δφ, равным

     (3)

Во втором случае (Рис.14б)

  (4)

Таким образом, при повороте одного из поляроидов на 90° цвета интерференционной картины должны замениться на дополнительные. Из векторной диаграммы (Рис.14) также видно, что при повороте поляроидов или кристаллической пластинки интерференционная картина несколько раз должна исчезать, когда ось поляроида будет параллельна или перпендикулярна оси кристалла. В этих случаях в кристалле возбуждается только одна волна (необыкновенная или обыкновенная), и интерференция исключается.

Интерференционная окраска зависит от разности фаз интерферирующих лучей. В случае интерференции поляризованных лучей она зависит от толщин образца, его оптической анизотропии Δn=n_e-n_o и положения осей поляроидов. Хорошим материалом для демонстрации интерференции поляризованных лучей могут служить целлофановые пленки, закаленные стекла, прозрачные модели, подвергнутые деформации.

Интерференция поляризованных лучей является чувствительным индикатором оптической анизотропии вещества. Для точных измерений оптической анизотропии мелких кристаллов и исследований оптической индикатриссы используются поляризационные микроскопы.

Вращение плоcкoсти поляризации. Поляриметр.

Некоторые вещества (их называют оптически активными) обладают способностью поворачивать плоскость поляризации. В частности, естественной оптической активностью обладает водный раствор сахара. Поставим между двумя скрещенными поляроидами кювету с водным раствором сахара. Поле зрения просветлится. Чтобы вновь получить темноту, надо повернуть второй поляроид А (Рис.15) на такой угол Ψ, на какой сахар повернул плоскость поляризации.

Существуют правовращающие и левовращающие вещества. Направление вращения условно считается правым, если для наблюдателя, смотрящего навстречу лучу, плоскость поляризации поворачивается по часовой стрелке. Одно и то же вещество может иметь лево- и правовращающие модификации. Например, кварц. Для того чтобы в пластинке кварца происходил поворот плоскости поляризации, надо направить свет вдоль оптической оси. В противном случае, как известно, в оптических кристаллах происходит двойное лучепреломление. Угол поворота плоскости поляризации оптически активным кристаллом пропорционален толщине кристалла:

Ψ=α l,· (5)

где α - постоянная вращения, зависит от сорта вещества, длины волны и температуры, l – длина образца. Оптическая активность растворов также зависит от концентрации в растворе оптически активного вещества:

Ψ=[α]·c·l    (6),

где [α]- удельное вращение плоскости поляризации, c- концентрация оптически активного вещества, l - длина пути света в растворе.

Объяснение естественной оптической активности вещества было дано Френелем (1817 г.). Френель выдвинул гипотезу о существовании в оптически активных средах кругового двойного лучепреломления: зависимости показателя преломления, т.е. скорости распространения циркулярно поляризованного света, от направления круговой поляризации. Линейно поляризованная волна может быть представлена как совокупность двух циркулярно поляризованных волн, в оптически активной среде они будут распространяться с различными скоростями. При выходе из оптически активной среды между циркулярно поляризованными компонентами возникает сдвиг по фазе , где n_п и n_л - показатели преломления волн, поляризованных по кругу по часовой и против часовой стрелки, соответственно. Этот сдвиг по фазе приводит к повороту плоскости поляризации на угол  (Рис.16). Если n_п > n_л, вектор E_л повернется на больший угол, что приведет к повороту плоскости поляризации против часовой стрелки.

Для измерения оптической активности веществ применяют полутеневые поляриметры. В поляриметрах используется способность человеческого глаза с большой точностью определять равенство освещенностей двух соседних полей зрения. С этой целью в поляриметрах применяются полутеневые устройства, назначение которых делить поле зрения прибора на две или три соприкасающиеся части, освещенности которых уравниваются поворотом анализатора.

В данной работе применяется полутеневой поляриметр, оптическая схема которого представлена на рис. 17. Основными частями установки являются поляризатор 4 и анализатор 7, изготовленные из поляроидной пленки. Свет, исходящий от источника - натриевой лампы 1, пройдя через светофильтр 2 (выделяющий линию λ = 589,3 нм), конденсорную линзу 3, поляризатор 4, одной частью пучка проходит через фазовую пластинку в полволны 5. Другая часть пучка при этом не попадает в фазовую пластинку. В дальнейшем обе части пучка проходят через кювету 6 с испытуемым раствором, анализатор 7, объектив 8, окуляр 9. За поляризатором помещено оранжевое защитное стекло. Оранжевое стекло и поляроиды подобраны так, чтобы максимум спектрального распределения светового потока приходился на желтую линию натрия.

Рис.17. Оптическая схема поляриметра (вид сверху)

Оптическая ось фазовой пластинки составляет небольшой угол α (5-7)° с осью поляризатора. Таким образом, поле зрения делится на две части. Через правую область поля зрения проходит линейно поляризованный свет, направление колебаний в котором E₁ параллельно оси поляризатора. Линейно-поляризованный свет, проходящий через фазовую пластинку, испытывает в ней двойное лучепреломление. Как известно, фазовая пластинка в полволны вносит в колебания обыкновенной и необыкновенной волн сдвиг по фазе . В результате чего из нее выходит линейно поляризованный свет, но с колебаниями E₂, повернутыми относительно E₁ на угол, равный 2α (Рис.18 а).

Рис.18. Ориентация световых колебаний (а) при нулевом отсчете, оптически активное вещество отсутствует и (б) рабочем отсчете при наличии правовращающего оптически активного вещества.

Поворотом анализатора на угол α можно добиться выравнивания освещенностей обеих частей поля зрения. Из рисунка 18 а видно, что это будет иметь место в двух случаях, когда ось анализатора параллельна или перпендикулярна оптической оси ОО фазовой пластинки. Предпочтение следует отдать второму случаю, т.к. глаз более чувствителен к изменению малых интенсивностей. Положение анализатора во втором случае дает слабое освещение (полутень), причем оно будет тем слабее, чем меньше угол α. Таким образом, чем меньше угол α, тем точнее можно установить анализатор на равномерное освещение всего поля зрения.

Если между поляризатором и анализатором поместить трубку с оптически активным веществом, направление обоих векторов  повернется на одинаковый угол Ψ в одну сторону, и части поля зрения станут освещенными неодинаково. Чтобы снова получить равномерную освещенность всего поля зрения, на этот же угол Ψ придется повернуть анализатор (Рис.18 б).