Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков

Плоская поляризация света происходит, например, при отражении и преломлении света в стекле (на границе двух прозрачных диэлектриков). Как отраженные, так и преломленные световые лучи частично поляризованы, причем преимущественное направление колебаний преломленного луча лежит в плоскости падения и отраженного луча – в плоскости, ей перпендикулярной. Степень поляризации отраженного света зависит от угла падения. При угле падения a_Б, удовлетворяющем условию

tga_Б = n

(закон Брюстера, 1815 г.), где n – относительный показатель преломления двух сред, происходит полная поляризация отраженного света. При падении под углом полной поляризации луч отраженный и луч преломленный составляют прямой угол по отношению друг к другу (рис.1.5).

Рис.1.5 Отражение и преломление света на границе раздела двух прозрачных диэлектриков.

Поляризация происходит также при рассеянии света. Степень поляризации тем выше, чем меньше размеры частиц, на которых происходит рассеяние.

Поляризация света при двойном лучепреломлении (обыкновенный и необыкновенный лучи, оптическая анизотропия, ход обыкновеных и необыковенных лучей через анизотропный кристалл, призма Николя)

При прохождении света через некоторые кристаллы световой луч разделяется на два луча. Это явление, получившее название двойного лучепреломления было наблюдено в 1670 году Эразмом Бартоломином для исландского шпата (СаСО₃ - кристаллы гексагональной системы). При двойном лучепреломлении один из лучей удовлетворяет обычному закону преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью. Этот луч называется обыкновенным и обозначается (о). Для другого луча, называемого необыкновенным (е), этот закон не выполняется. Необыкновенный луч не лежит, как правило, в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности.

Явление двойного лучепреломления наблюдается для всех прозрачных кристаллов, за исключением принадлежащих к кубической системе. У так называемых одноосных кристаллов (исландский шпат, кварц, турмалин) имеется направление, вдоль которого обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются не разделяясь и с одинаковой скоростью. Это направление называется оптической осью кристалла. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, является главной. Колебания обыкновенного луча перпендикулярны главной плоскости, а колебания необыкновенного - лежат в главной плоскости, т.е. эти лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Двойное лучепреломление обусловлено особенностями распространения электромагнитных волн в анизотропных средах (анизотропия кристаллов - различие физических, в том числе и оптических свойств, по определенным направлениям): амплитуды вынужденных колебаний электронов зависят от направлений этих колебаний.

Обыкновенная волна имеет сферическую форму, необыкновенная - эллипсоидальную.

Величина называется показателем преломления обыкновенного луча, величина - показателем преломления необыкновенного луча. В зависимости от того, какая их скоростей, v₀ или v_e, больше различают положительные (v_e < v₀, n_e > n₀) и отрицательные (v_e > v₀, то есть n_е < n₀) одноосные кристаллы.

Двоякопреломляющие кристаллы непосредственно не используются как поляризаторы, так как пучки обыкновенных и необыкновенных лучей слишком мало разведены или даже перекрываются. Однако из этих кристаллов изготавливают специальные поляризационные призмы.

Рассмотрим призму Николя. Николь представляет собой призму из исландского шпата, разрезанную по диагонали и склеенную канадским бальзамом (n₀ > n_к.б. > n_е, n_{к.б .} = 1,550; n₀ = 1,6584; n_е = 1,4864) рис.2.3.

Рис.2.3 Ход лучей в призме Николя.

Подобрав соответствующим образом углы призмы, можно обеспечить полное внутреннее отражение обыкновенного луча (о) на границе с канадским бальзамом. Отраженный луч в этом случае поглощается зачерненной нижней гранью или выводится из кристалла. Необыкновенный луч (е) выходит из николя параллельно нижней грани.