Почему при отражении от диэлектрика происходит поляризация света

Поляризация при отражении от поверхности диэлектрика.

Электромагнитная волна, падая на диэлектрик, вызывает колебания в атомах вещества. Атомы и молекулы становятся сами излучателям вторичных электромагнитных волн. Эти вторичные волны излучаются электронами, колеблющимися в атомах и молекулах диэлектрика, причем направление колебаний электронов совпадает с направлением колебаний электрического вектора Е падающей волны. Интенсивность излучения электронами вторичных волн I пропорциональна E 2 и зависит от направления оси диполя АВ (рис.2). В направлении оси диполя АВ интенсивность равна нулю, в перпендикулярном — максимальна. Если угол между преломленным и отраженным лучами (рис.3), то в отраженном луче будут полностью отсутствовать колебания вектора Е, происходящие в плоскости падения, так как они происходят в направлении оси диполя АВ, но зато эти колебания будут в преломленном луче (в плоскости рисунка эти колебания показаны стрелками). В отраженном луче колебания вектора E будут происходить только в плоскости перпендикулярной рисунку (эти колебания показаны на рисунке точками), а это означает, что отраженный луч при определенном угле падения будет полностью поляризован. При этом преломленный луч будет поляризован частично.

Угол i_{Б ,} для которого выполняется условие , называется углом полной поляризации илиуглом Брюстера.

(здесь п — относительный показатель преломления диэлектрика).

Недостатком поляризации при отражении является малая доля отражаемого от диэлектриков излучения (например, от стеклянной пластинки отражается 3-5% падающего света). Поэтому пользуются многократным отражением волны от «стопы пластин». Отраженные лучи уносят колебания, перпендикулярные плоскости падения, и проходящий луч, постепенно «очищаясь» от этих колебаний становится почти плоскополяризованным с вектором Е, лежащим в плоскости падения.

Поляризация при двойном лучепреломлении в кристаллах.

При преломлении света на границе оптически анизотропных сред, например кристаллов, луч естественного света расщепляется на два луча (обыкновенный и необыкновенный), поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Обыкновенный и необыкновенный лучи имеют в кристалле разные скорости распространения, следовательно, различные показатели преломления п_о и п_е; этим объясняется двойное лучепреломление в точке падения волны на грань призмы: при одном и том же угле падения имеются два угла преломления β_о и β_е. Однако поляризованные лучи выходят из кристалла под очень малым углом друг к другу, что затрудняет их раздельное использование. Чтобы «развести» эти лучи, пользуются различными «поляризующими призмами». Наиболее распространенной является призма Николя: из кристалла исландского шпата вырезаются две призмы, которые склеиваются канадским бальзамом. Показатель преломления этого клея (п=1,550) лежит между показателем преломления исландского шпата для обыкновенного (п_о =1,658) и необыкновенного п_е лучей (значение п_е зависит от угла между лучом и оптической осью кристалла, его минимальное значение 1,486). Углы в призме подобраны так, чтобы обыкновенный луч на поверхности канадского бальзама испытал полное внутреннее отражение. При помощи этой призмы световая волна разделяется на две плоскополяризованные волны, содержащие почти до 50% падающей энергии (потери в призме невелики).

Некоторые кристаллические вещества (турмалин, гепатит) обладают различным поглощением для лучей с различными ориентациями вектора Е относительно осей этих кристаллов. Например, турмалиновая пластинка толщиной около 1мм или чешуйка гепатита толщиной около 0,1мм почти полностью поглощают обыкновенные лучи (у которых, как указывалось выше, вектор Е_о перпендикулярен оптической оси); необыкновенные же лучи частично поглощаются, частично выходят из пластинки. Если на такую пластинку падает естественный свет, то из пластинки выходит только необыкновенный плоскополяризованный луч. Так же действуют так называемые поляроиды – целлулоидные пленки, содержащие определенным образом ориентированные мелкие кристаллики гепатита. Следует иметь в виду, что эти вещества обладают избирательным поглощением по отношению к различным длинам волн, т.е. коэффициент поглощения зависит от длины волны. Поэтому если на такие вещества подается не монохроматический, а белый свет, то вышедший из них свет получается окрашенным, причем эта окраска оказывается различной в различных направлениях («дихроизм»).

1. Поляризация света при отражении от поверхности диэлектрика.

При отражении от границы раздела двух диэлектриков свет всегда становится хотя бы частично поляризованным, если угол падения его не равен 0 или π/2. Существует такой угол падения β, при котором отраженный луч полностью поляризован. Этот угол удовлетворяет следующему условия:

где n- относительный показатель преломления двух сред,β – угол Брюстера.

Представленное выражение носит название закона Брюстера.

Если естественный свет от источника падает на поверхность диэлектрика под углом Брюстера( угол падения), то отраженный луч будет полностью поляризованным и при этом колебания вектора Е происходят перпендикулярно плоскости падения луча (рис.1.5).

Рис.1. 5. Поляризация света при отражении от поверхности диэлектрика.

2.Поляризация света при преломлении. Преломленный луч также является поляризованным, но всегда только частично, даже при падении луча под углом полной поляризации. При падении естественного света под углом Брюстера интенсивность отраженного света меньше, чем интенсивность преломленного.

Как следует из формул Френеля * , преломленный луч при падении света под углом Брюстера оказывается частично поляризованным. Так, у обычного стекла степень поляризации преломленного света составляет 15%. При других углах падения доля поляризованного света в преломленном луче будет ещё меньше.

Если преломленный луч подвергнуть второму, третьему и последующим преломлениям, то степень поляризации преломленных лучей возрастает. Стопа из 10-15 стеклянных пластинок почти полностью поляризует свет, падающий на неё под углом Брюстера. Такая система называется стопой Столетова.

3.Поляризация при двойном лучепреломлении.

Почти все прозрачные диэлектрики оптически анизотропны, то есть свойства света при прохождении через них зависят от направления. Физическая природа анизотропии связана с особенностями строения молекул диэлектрика или особенностями кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы или ионы.

____________________________________________ * Формулы Френеля для интенсивности света, отраженного от границы раздела двух диэлектриков , где θ₁ и θ₂ –углы падения и преломления света, I_0┴ и I_0|| — интенсивности падающего света с плоскостью поляризации перпендикулярной и параллельной плоскости падения света; I_┴ и I_|| — аналогичные интенсивности для отраженного света. Вследствие анизотропии кристаллов при прохождении через них света возникает явление, называемое двойным лучепреломлением. Оно заключается в том, что свет, падающий на кристалл, преломляясь, создает не один преломленный луч, как в изотропных средах, а два, идущие в общем случае в различных направлениях и с разными скоростями. Явление двойного лучепреломления наблюдается для одноосных и двухосных кристаллов.

У одноосных кристаллов один из преломленных лучей подчиняется обычному закону преломления. Его называют обыкновенным. Другой луч называется необыкновенным, он не подчиняется обычному закону преломления. Даже при нормальном падении светового пучка на поверхность кристалла необыкновенный луч может отклоняться от нормали. Как правило, необыкновенный луч не лежит в плоскости падения. Если через такой кристалл посмотреть на окружающие предметы, то каждый предмет будет раздваиваться. При вращении кристалла вокруг направления падающего луча обыкновенный луч остается неподвижным, а необыкновенный будет двигаться вокруг него по окружности.

К одноосным кристаллам относятся, например, кристаллы кальцита или исландского шпата (СаСО₃). Кристалл исландского шпата представляет собой разновидность кальцита, который кристаллизуется в виде ромбоэдра. В одноосных кристаллах существует выделенное направление, вдоль которого обыкновенная и необыкновенная волна распространяются не разделяясь пространственно и с одинаковой скоростью. Направление, в котором не наблюдается двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла. Следует иметь в виду, что оптическая ось–это не прямая линия, проходящая через какую-то точку кристалла, а определенное направление в кристалле.Любая прямая, параллельная данному направлению, является оптической осью.

Любая плоскость, проходящая через оптическую ось кристалла, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла. Обычно пользуются главным сечением, проходящим через оптическую ось и световой луч в кристалле.

Исследование обыкновенного и необыкновенного лучей показывает, что оба луча полностью плоскополяризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Колебания вектора напряженности электрического поля (Е) в обыкновенной волне совершаются в направлении, перпендикулярном главному сечению кристалла для обыкновенного луча. В необыкновенной волне колебания вектора напряженности совершаются в плоскости, совпадающей с главным сечением для необыкновенного луча.

На рис.1. 6 показаны направления колебаний вектора Е в обоих лучах. Предполагается, что оба луча и пересекающая их оптическая ось лежат в плоскости рисунка. Из рисунка видно, что в данном случае плоскости колебаний обыкновенного и необыкновенного лучей взаимно перпендикулярны. Такая ситуация наблюдается практически при любой
Рис.1.6.о-обыкновенный луч,
е- необыкновенный луч.
ориентации оптической оси, поскольку угол между обыкновенным и необыкновенным лучами очень мал.

На выходе из кристалла оба луча отличаются друг от друга только направлением поляризации, так что названия «обыкновенный» и «необыкновенный» имеют смысл только внутри кристалла.

Двойное лучепреломление объясняется анизотропностью кристаллов. В кристаллах некубической системы диэлектрическая проницаемость ε оказывается зависящей от направления. В одноосных кристаллах ε в направлении оптической оси и в направлениях, перпендикулярных к ней, имеют различные значения ε _{| |} и ε _┴. В других направлениях ε имеет промежуточные значения. Как известно, показатель преломления . Следовательно, из анизотропности вытекает, что электромагнитным волнам с различными ε направлениями колебаний вектора Е соответствуют разные значения показателя преломления . Поэтому скорость световых волн зависит от направления колебаний светового вектора Е. В обыкновенном луче колебания светового вектора происходят в направлении, перпендикулярному к главному сечению кристалла, поэтому при любом направлении обыкновенного луча Е образует с оптической осью кристалла прямой угол и скорость световой волны будет одна и та же, равная .

Одноосные кристаллы характеризуются показателем преломления обыкновенного луча, равным , и показателем преломления необыкновенного луча, перпендикулярного к оптической оси, равным . Последнюю величину называют просто показателем преломления необыкновенного луча. Для исландского шпата , . Значения и зависят от длины волны.

С точки зрения принципа Гюйгенса при двойном лучепреломлении в каждой точке поверхности волны, достигающей грани кристалла, возникает не одна, как в обычных средах, вторичная волна, а одновременно две волны, которые и распространяются в кристалле. Скорость распространения обыкновенной волны по всем направлениям одинакова. Скорость распространения необыкновенной волны в направлении оптической оси совпадает со скоростью обыкновенной волны, а по другим направлениям отличается.

4.Поляризация света с использованием дихроизма Существуют кристаллы, в которых один из лучей, обыкновенный или необыкновенный, поглощается сильнее другого. Это явление называется дихроизмом. К таким веществам, в частности, относится кристалл турмалина. В нем обыкновенный луч полностью поглощается на длине около 1 мм.

Свойством дихроизма обладают также кристаллы сульфата йодистого хинина (герапатита). В настоящее время изготавливают целлулоидную плёнку, на которую осаждают кристаллики герапатита, ориентированные в одном направлении. Такая плёнка называется поляроидом и представляет собой поляризатор, дающий возможность получать широкие пучки поляризованного света.

5.Поляризация света при искусственной анизотропии. В однородном веществе свет распространяется по всем направлениям с одной скоростью. Постоянны и другие физические свойства — твердость, упругость, теплопроводность., что определяет изотропность материала. Если же к пластине такого материала приложить внешнее воздействие — сжать ее или изогнуть, — в нем возникнут деформации и появятся выделенные направления. Свойства вещества вдоль этих направлений и поперек них станут неодинаковыми, возникнет анизотропия. Световой луч в таком веществе расщепится на два, и двигаться они станут с разными скоростями. Более того: они будут поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях и взаимодействовать не будут. И для обычного, и для поляризованного света ничего не изменится: суммарная интенсивность двух лучей останется прежней. Но анализатор, стоящий после пластины, «вырежет» из них две волны, колеблющиеся в одной плоскости. А поскольку их породил один исходный луч, волны станут интерферировать. Малейшие изменения толщины пластинки и величины деформации в ней приводят к возникновению разности хода волн. Появится разноцветная картина, подобная той, что бывает на поверхности воды с пленкой масла или бензина. Ее можно наблюдать при помощи сделанных приборов. Сильной анизотропией обладает целлофан. Этот упаковочный материал делают из вискозы, продукта переработки древесины. При изготовлении целлофановая пленка сильно растягивается, выстраивая цепочками длинные органические молекулы. Кусочки целлофана с пачки сигарет складывают вместе, ориентируя их в разных направлениях, и помещают между поляроидами. Прозрачная пленка окрасится в различные цвета. При повороте одного из поляризаторов цвета будут меняться на дополнительные: красный сделается зеленым, синий — желтым и наоборот. В поляризованном свете становятся видны напряжения в линейках, коробках и корпусах шариковых ручек из прозрачной пластмассы. В куске стекла, сжатом пассатижами, появятся цветные полосы, которые исчезают после снятия нагрузки. А в закаленном стекле, которое стоит в окнах автомобилей и вагонов, эти напряжения сохраняются и бывают заметны в виде многочисленных радужных пятен. Поляризационные методы позволяют увидеть, как будет вести себя деталь при работе. Из органического стекла вырезают плоскую модель спроектированной детали и подвергают нагрузке, аналогичной реальной. Цветные полосы будут тем тоньше и расположатся тем гуще, чем выше концентрация напряжений; они укажут на области, с которых начнется разрушение детали.

Закон Малюса. Одноосные кристаллы используются для изготовления поляризаторов (призмы Николя, Глана–Томсона и др.) – приборов, служащих для преобразования света

произвольной поляризации (и в первую очередь естественного) в линейно поляризованный. Плоскость, в которой колеблется световой вектор Е, прошедшей через

поляризатор волны, называют плоскостью пропускания поляризатора, либо просто плоскостью поляризатора.

Поляризационные призмы – это довольно дорогие и трудоёмкие в изготовлении приборы. Во многих приложениях оптики для получения линейно поляризованного света широко используют более доступные приборы – поляроиды. Их действие основано на явлении дихроизма, которое заключается в том, что коэффициент поглощения кристалла неодинаков для обыкновенного и необыкновенного лучей. Если в целлулоидную пленку ввести одинаково

ориентированные кристаллики герапатита, то получится поляризатор, который называется поляроидом.

Пусть на поляризатор падает линейно поляризованный пучок света интенсивностью I₁. Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, определяется законом Малюса:

где γ – угол между направлением колебаний в падающем свете и плоскостью пропускания поляризатора. Если на поляризатор падает пучок естественного света, то

интенсивность в прошедшем пучке будет вдвое меньше. Пусть на пути естественного света расположено два поляризатора, плоскости пропускания которых составляют угол γ. Второй поляризатор, используемый для исследования состояния

поляризации света, называется анализатором. Интенсивность света, прошедшего через эту систему, без учёта потерь на поглощение, определяется законом Малюса: I₂=1/2(I₀cos 2 γ). Если γ = 0, то интенсивность прошедшего света максимальна. При этом говорят, что поляризатор и анализатор установлены параллельно. При скрещенных поляризаторах их плоскости пропускания взаимно перпендикулярны, и свет через такую

15) Поляризация света при отражении от диэлектрика. Угол Брюстера. Физический смысл закона Брюстера.

Когда свет отражается от диэлектрика под определенным углом (угол поляризации), от 50 до 60º, возникает линейная поляризация. Луч, падающий на стеклянный кубик под углом поляризации, частично отражается, частично

преломляется. Преломленный луч частично поляризован; в нем преобладают колебания в плоскости, перпендикулярной к плоскости колебаний отраженного луча.

Закон Брюстера. Угол полной поляризации а зависит от показателя преломления n. При этом отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны: tg а = n.

Пояснение формулы. β = 90º — а; sin а : sin(90º — а) = tg а = n. Поляризованный свет служит для исследования кристаллических структур.

Закон Брюстера описывает линейную поляризацию света при отражении луча от поверхности.

Согласно этому закону, при определенном угле падения свет полностью поляризуется параллельно отражающей поверхности, и величина этого угла зависит от свойств отражающего вещества.

Угол падения, при котором происходит полная поляризация отраженного и преломленного света, называется углом Брюстера, и его тангенс равен коэффициенту преломления отражающего вещества.

16) Изотропные и анизотропные среды. Оптическая анизотропия. Двойное лучепреломление. Одноосные кристаллы.

Изотропная среда — такая область пространства, физические свойства (электрические, оптические. ) которой не зависят от направления. Например, показатель преломления оптически изотропной среды одинаков во всех направлениях.

Анизотропи́я (от греч. ánisos — неравный и trópos — направление) — неодинаковость свойств среды (например, физических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) по различным направлениям внутри этой среды; в противоположность изотропии.

Оптическая анизотропия-различие оптич. св-в среды в зависимости от направления распространения в ней оптического излучения (света) и его поляризации (см. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА). О. а. проявляется в двойном лучепреломлении, дихроизме, изменении эллиптичности поляризации света и во вращении плоскости поляризации, происходящем в оптически активных в-вах. Естественная О. а. кристаллов обусловлена неодинаковостью по разл. направлениям поля сил, связывающих атомы решётки. Естественная оптич. активность в-в, к-рые проявляют её в любом агрегатном состоянии, связана с асимметрией строения отд. молекул таких в-в и обусловленным ею различием во вз-ствии этих молекул с излучением разл. поляризаций, а также с особенностями возбуждённых состояний эл-нов и «ионных остовов» в оптически активных кристаллах. Наведённая (и с к у с с т в е н н а я) О. а. возникает в средах, от природы оптически изотропных под действием внеш. полей, выделяющих в таких средах определ. Направление.

Двойное лучепреломление, расщепление пучка света в анизотропной среде (например, в кристалле) на два слагающих, распространяющихся с разными скоростями и поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Если световой пучок падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то он распадается на 2 пучка, один из которых продолжает путь без преломления, как и в изотропной среде, другой же отклоняется в сторону, нарушая обычный закон преломления света (рис.). Соответственно этому лучи первого пучка называются обыкновенными, второго — необыкновенными. Угол, образуемый обыкновенным и необыкновенным лучами, называется углом Д. л. Если в случае перпендикулярного падения пучка поворачивать кристалл вокруг пучка, то след обыкновенного луча остаётся на месте, в центре, а след необыкновенного луча вращается по кругу.

Д. л. объясняется особенностями распространения электромагнитных волн в анизотропных средах. Электрическое поле световой волны E, проникая в вещество, вызывает вынужденные колебания электронов в атомах и молекулах среды. Колеблющиеся электроны, в свою очередь, являются источником вторичного излучения света. Т. о., прохождение световой волны через вещество — результат последовательного переизлучения света электронами. В анизотропном веществе колебания электронов легче возбуждаются в некоторых определённых направлениях. Поэтому волны с различной поляризацией будут распространяться в анизотропном веществе с разными скоростями.

ОДНОО́СНЫЕ КРИСТА́ЛЛЫ, кристаллы, для которых характерно двойное лучепреломление света при всех направлениях падающего луча, кроме одного направления, называемого оптической осью кристалла.

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад