Для отримання поляризованого світла користуються також явищем подвійного променезаломлення.

«З Ісландії, острова, що у Північному морі, на широті 66°, - писав Гюйгенс в 1678 р.,- був привезений камінь (ісландський шпат), дуже чудовий за своєю формою та іншим якостям, але найбільше за своїми дивним заломлюючим властивостям ».

Якщо шматок ісландського шпату покласти якийсь напис, то крізь нього ми побачимо напис здвоєної (рис. 133).

Рис. 133. Подвійне променезаломлення.

Роздвоювання зображення відбувається внаслідок того, що кожному падаючому на поверхню кристала променю відповідають два заломлені промені. На рис. 134 зображено випадок, коли падаючий промінь перпендикулярний поверхні кристала; тоді промінь, званий звичайним, проходить крізь кристал незаломленим, а промінь званий незвичайним, йде ламаною, зображеною на рис. 134.

Рис. 134. Хід променів при подвійному променезаломленні.

Назви променів зрозумілі: звичайний проміньповодиться так, як ми цього могли очікувати на підставі відомих законів заломлення. Незвичайний промінь як би порушує ці закони: він падає по нормалі до поверхні, але зазнає заломлення. Обидва промені виходять із кристала плоскополяризованими, причому вони поляризовані у взаємно- перпендикулярних площинах. У цьому легко переконатися простим досвідом. Візьмемо якийсь аналізатор (наприклад, стопу) і подивимося крізь нього на роздвоєну картину, що дається кристалом. При певному положенні стопи ми побачимо лише одне із зображень, друге буде погашено. При повороті стопи навколо променя зору 90°

це друге зображення з'явиться, зате зникне перше. Таким чином, ми дійсно переконуємось у тому, що обидва зображення поляризовані і саме так, як це було щойно зазначено.

Цікаво, що у 1808 р. Малюс цілком випадково зробив подібний досвід і відкрив поляризацію світла при відбитку скла. Подивившись крізь шматок ісландського шпату на відображення заходу сонця у вікнах Люксембурзького палацу в Парижі, він з подивом виявив, що два зображення, що виникли в результаті подвійного заломлення, мали різну яскравість. Повертаючи кристал, Малюс побачив, що зображення по черзі то робилися яскравішими, то загасали. Малюс спочатку вирішив, що тут позначаються вагання сонячного світлав атмосфері, але з настанням ночі повторив досвід зі світлом свічки, відбитим від поверхні води, а потім скла. В обох випадках, проте, ефект підтвердився. Малюсу належить термін «поляризація» світла.

Перейдемо тепер до більш детального аналізу явища подвійного променезаломлення. Якщо ми змінюватимемо кут падіння променя на поверхню кристала, то при цьому виявиться нова чудова властивість незвичайного променя. Виявляється, що його показник заломлення не є постійним, а залежить від кута падіння. Оскільки від кута падіння залежить напрям переломленого променя в кристалі, можна сформулювати вказана властивістьЩе так: показник заломлення незвичайного променя залежить від його напряму в кристалі. Переходячи, зрештою, від показника заломлення до швидкості поширення, можна сказати, що швидкість незвичайного променя в кристалі залежить від напряму його поширення.

У цьому остаточному формулюванні оптичні властивостікристала збігаються з його іншими властивостями: діелектрична постійна, теплопровідність і пружність кристала також неоднакові з різних напрямків. Відповідність між анізотропією оптичних та електричних властивостей кристала стає цілком зрозумілою, якщо згадати, що швидкість світла обернено пропорційна кореню квадратному з діелектричного постійного середовища (§ 2). Тому, строго кажучи, швидкість поширення світлової хвилі залежить не від напряму поширення, а від напряму електричного полясвітлової хвилі. Якщо навіть по одному напрямку в кристалі поширюються дві поляризовані у взаємно-перпендикулярних площинах світлові хвилі, їх швидкості будуть різні (за винятком деяких спеціальних випадків). Прикладом двох таких хвиль є незвичайний та звичайний промені.

Якщо від точки, що лежить на поверхні ісландського шпату, провести всередині кристала радіуси-вектори, величина яких пропорційна швидкості світла за відповідними напрямками, кінці їх лежатимуть на поверхні еліпсоїда обертання. Це

еквівалентно тому, що хвильова поверхня світлових коливань, що поширюються від точки, має форму еліпсоїду на відміну від сферичної при поширенні в аморфному тілі. Весь час йдеться, звичайно, йде про незвичайний промінь. Звичайні промені, очевидно, утворюють сферичну хвильову поверхню. Таким чином, у кристалі ми маємо два типи хвильових поверхонь: еліпсоїди та сфери. Ці еліпсоїди та сфери стикаються в точках, що лежать на прямих, званих оптичними осями кристала.

Зрозуміло, що світло поширюється у напрямку оптичної осі зі швидкістю, яка зовсім не залежить від стану поляризації. В ісландському шпаті є лише один напрямок оптичної осі - одновісний кристал.

Користуючись простим графічним методом, заснований на принципі Гюйгенса, побудуємо заломлену хвилю як звичайного, і незвичайного променів (§ 25). Одна хвиля буде дотичною до ряду елементарних сфер, інша буде дотичною до ряду еліпсоїдів (рис. 135). Ми бачимо, що утворюється кут між цими двома плоскими хвилями, що відповідає утворенню кута між заломленими променями, тобто подвійному променезаломленню.

Рис. 135. Побудова Гюйгенса у кристалі.

На відміну від ізотропного середовища в кристалі промінь (незвичайний) не є нормаллю до хвильової поверхні. На рис. 135 про позначає звичайний промінь, незвичайний і нормаль.

Однак є і в кристалі ісландського шпату такий напрямок, яким і звичайний, і незвичайний промені йдуть з однаковою швидкістю, не поділяючись. Цей напрямок носить назву оптичної осі кристала. Вочевидь, що у оптичної осі лежать точки зіткнення еліпсоїда зі сферою. У площині, перпендикулярній до оптичної осі, лежать напрями, якими різниця швидкостей між звичайним і незвичайним променями максимальна. Простий і незвичайний промені йдуть при цьому по одному напрямку, але незвичайний промінь обганяє звичайний.

Будь-яка площина, що проходить через оптичну вісь, називається головним перетином чи головною площиною кристала.

Крім ісландського шпату до одноосних кристалів належать, наприклад, кварц і турмалін. Є кристали, у яких явища заломлення підпорядковуються ще більше

складним законам. Зокрема, для них існують два напрямки, якими обидва промені йдуть з однаковою швидкістю, тому такі кристали називаються двовісними (наприклад, гіпс). У двовісних кристалах обидва промені незвичайні, тобто швидкості поширення обох променів залежать від напрямку.

Турмалін має чудову здатність поглинати один з променів, що виходять при подвійному променезаломленні, завдяки чому кристал турмаліну служить як поляризатор, що дає відразу один поляризований промінь.

Ще в 1850 р. Герапат виявив, що штучно виготовлені кристалики сульфату йодистого хініну мають такі ж властивості, як турмалін.

Рис. 136. Застосування поляроїдів.

Проте окремі кристали були занадто малі і швидко псувалися на повітрі. Тільки в самі Останніми рокаминавчилися виготовляти в промислових масштабахцілий лулоїдну плівку, в яку введено велика кількістьабсолютно однаково орієнтованих кристаликів сульфату йодистого хініну. Ця плівка називається поляроїдом.

Поляріод повністю поляризує світло, що не тільки проходить за нормаллю до його поверхні, але зберігає свої властивості для променів, що утворюють з нормаллю кути до 30 °. Таким чином, поляроїд може поляризувати досить широкий конус світлових променів.

Поляроїд знайшов собі широке застосування у найрізноманітніших областях. Вкажемо на найбільш цікаве застосування поляроїду в автомобільній справі.

Платівки з поляроїду зміцнюються на передньому склі автомобіля (рис. 136) та на автомобільних фарах. Платівка поляроїду на передньому склі є аналізатором, пластинки на фарах - поляризаторами. Площини поляризації пластин становлять кут 45° з горизонтом і паралельні один одному. Шофер, що дивиться на дорогу крізь поляроїд, бачить відбите світло своїх фар,

т. е. бачить освітлену ними дорогу, оскільки відповідні площини поляризації паралельні, але з бачить світла від фар зустрічного автомобіля, забезпеченого також пластинками з поляроида. У останньому випадкуЯк неважко переконатися з рис. 136, площини поляризації будуть взаємно перпендикулярні. Тим самим шофер захищений від сліпучої дії фар зустрічного автомобіля.

З поляроїду виготовляються окуляри, крізь які робляться непомітними відблиски світла, відбитого від блискучих поверхонь. Пояснюється це тим, що зазвичай відблиски частково або повністю поляризовані. Поляроїдні окуляри дуже доцільно застосовувати в музеях і картинних галереях (поверхня картин, намальованих олійними фарбами, часто дає відблиски, що заважають розглянути картини і відтінки фарб, що спотворюють).

Одним із найпоширеніших поляризаторів є так звана призма Ніколя, або просто ніколь.

Рис. 137. Розріз призми Ніколя.

Призма Ніколя є кристалом ісландського шпату, розпиляний по діагоналі і склеєний канадським бальзамом (рис. 137). У призмі Ніколя один із променів, що виникають в результаті подвійного променезаломлення, усувається дуже дотепним способом. Звичайний промінь, що заломлюється сильніше, падає на кордон з канадським бальзамом під кутом падіння, більшим, ніж незвичайний промінь. Оскільки показник заломлення канадського бальзаму менший, ніж ісландського шпату, відбувається повне внутрішнє відображенняі промінь попадає на бічну грань. Бічна граньпокрита чорною фарбою і поглинає падаючий на неї промінь. З призми виходить таким чином тільки один плоскополяризований промінь (незвичайний). Площина поляризації цього променя зветься головною площиною ніколю.

Два ніколі, розташовані один за одним, із взаємно-перпендикулярними головними площинами, очевидно, зовсім не пропустять світла. Якщо ж головні площини будуть паралельні, то крізь ніколи пройде максимальна кількістьсвітла. Виникає питання, скільки світла пропустить така комбінація ніколей при якому-небудь проміжному положенні, коли кут між головними площинами більше нуляале менше 90°.

Оскільки кожен поляризатор, як ми вже казали, можна порівняти зі щілиною, що пропускає лише коливання, що лежать у її площині, перебіг обчислення інтенсивності світла, що пройшов через два ніколи, зрозумілий. З цією метою зобразимо головні площини ніколей як прямих I u II (рис. 138). Тоді коливання, що виходять з першого ніколя, збігаються з і якщо ми їх розкладемо на дві компоненти (одну, що збігається з і другу, до неї

перпендикулярну), то перша компонента пройде повністю, а друга, очевидно, буде затримана миколем. Величина амплітуди, що становить коливання у напрямку II, як видно з креслення, дорівнює де А - амплітуда коливань, що вийшли з першого ніколю. Ця компонента, як ми щойно сказали, пройде повністю; отже, це і буде амплітуда коливання, що пройшов через два ніколи.

Рис. 138. До розрахунку енергії, що пройшла крізь два ніколі.

Енергія світлової хвилі, як і будь-якого вагання, пропорційна квадрату амплітуди; отже, остаточно для світлової енергії, що пройшла крізь два ніколі, ми маємо таку формулу - закон Малюса:

Таким чином, обертаючи один з ніколей, ми можемо послаблювати проходить світло в будь-яке число разів і отримувати світло будь-якої інтенсивності.

Закон Малюса, очевидно, застосовується для будь-якого поляризатора та аналізатора. Зокрема, тому закону підпорядковується інтенсивність світла, відбитого послідовно від двох скляних дзеркал.

Якщо призма Ніколя служить для отримання одного поляризованого променя, то призма Волластона дає два промені, поляризованих у взаємно перпендикулярних площинах і розташованих симетрично по відношенню до падаючого променя. Влаштування призми Волластона надзвичайно дотепно і особливо чітко показує, як швидкість поширення променів у кристалі залежить від напряму їхньої площини поляризації.

Рис. 139. Призма Волластона.

Призма Волластона складається з двох шматків ісландського шпату, вирізаних паралельно оптичній осі та склеєних так, що оптична вісь одного шматка перпендикулярна до оптичної осі іншого шматка. На рис. 139 оптична вісь правого шматка паралельна площині креслення, а оптична вісь лівого шматка перпендикулярна до неї.

Пучок світла, що падає нормально на верхню межу, розділиться на два промені: звичайний з площиною поляризації, паралельної оптичної осі, і незвичайний, поляризований у перпендикулярному напрямку. Обидва промені йдуть по одному напрямку, але з різними швидкостями, що визначаються показниками заломлення Дійшовши до межі розділу з другим шматком, обидва

промені змінюються ролями. Площина поляризації звичайного (у першому шматку) променя вже стає перпендикулярною до оптичної осі (другого шматка), отже, цей промінь у другому шматку поширюватиметься як незвичайний. Навпаки, незвичайний у першому шматку промінь буде у другому шматку вже звичайним, оскільки його площина поляризації паралельна оптичній осі цього шматка. Таким чином, один промінь (звичайний у першому шматку) переходить із середовища з показником заломлення в середу з показником заломлення інший (незвичайний у першому шматку) - з середовища в середу з У ісландського шпату більше Отже, перший промінь переходить з більш щільного середовища в менш щільну, другий – навпаки. В результаті один промінь переломиться на межі вліво, а інший настільки ж вправо, і з призми симетрично увійдуть два поляризовані промені.

ісландського шпату в 1669 році. Якщо промінь світла падає перпендикулярно поверхні кристала, то цій поверхні він розщеплюється на два променя. Перший промінь продовжує поширюватися прямо, і називається звичайним (o- ordinary), другий же відхиляється убік, і називається незвичайним (e- extraordinary).

Енциклопедичний YouTube

1 / 3

подвійне променезаломлення

ефект фарадея

Поляризоване світло та зоряний магнетизм

Субтитри

Опис

Напрямок коливання вектора електричного поля незвичайного променя лежить у площині головного перерізу (площини, що проходить через промінь та оптичну вісь кристала). Оптична вісь кристала - напрям в оптично анізотропному кристалі, яким промінь світла поширюється, не відчуваючи подвійного променезаломлення.

Порушення закону заломлення світла незвичайним променем пов'язані з тим, що швидкість поширення світла (отже і показник заломлення) хвиль із такою поляризацією , як і незвичайного променя, залежить від напрями. Для звичайної хвилі швидкість поширення однакова у всіх напрямках.

Можна підібрати умови, у яких звичайний і незвичайний промені поширюються однією траєкторії, але з різними швидкостями. Тоді спостерігається ефект зміни поляризації. Наприклад, лінійно поляризоване світло, що падає на платівку, можна представити у вигляді двох складових (звичайної та незвичайної хвиль), що рухаються з різними швидкостями. Через різницю швидкостей цих двох складових, на виході з кристала між ними буде деяка різниця фаз, і в залежності від цієї різниці світло на виході матиме різні поляризації. Якщо товщина пластинки така, що на виході з неї один промінь на чверть хвилі (чверть періоду) відстає від іншого, то поляризація перетвориться на кругову (така пластинка називається чвертьхвильовою), якщо один промінь від іншого відстане на півхвилі, то світло залишиться лінійно поляризованим, але площина поляризації повернеться на деякий кут, значення якого залежить від кута між площиною поляризації падаючого променя і площиною головного перерізу (така пластинка називається напівхвильовою).

Природа явища

Якісно явище можна пояснити так. З рівнянь Максвелла для матеріального середовищавипливає, що фазова швидкістьсвітла в середовищі обернено пропорційна величині діелектричної проникності ε середовища. У деяких кристалах діелектрична проникність- тензорна величина - залежить від напрямку електричного вектора, тобто стану поляризації хвилі, тому й фазова швидкість хвилі залежатиме від її поляризації.

Згідно класичної теоріїсвітла, виникнення ефекту пов'язане з тим, що змінне електромагнітне поле світла змушує коливатись електрони речовини, і ці коливання впливають на поширення світла в середовищі, а в деяких речовинах змусити електрони простіше коливатися в деяких певних напрямках.

Штучне подвійне променезаломлення. Крім кристалів подвійне променезаломлення спостерігається і в ізотропних середовищах, поміщених в електричне поле (ефект Керра), в магнітне поле (ефект Коттона-Мутона, ефект Фарадея), під дією механічних напруг (фотопружність). Під дією цих факторів спочатку ізотропне середовище змінює свої властивості і стає анізотропним. У цих випадках оптична вісь середовища збігається з напрямком електричного поля, магнітного поля, Напрямок докладання сили.

Позитивні та негативні кристали

• Негативні кристали- одновісні кристали, у яких швидкість поширення звичайного променя світла менше, ніж швидкість поширення незвичайного променя. У кристалографії негативними кристалами називають також рідкі включення в кристалах, мають таку ж форму, як і сам кристал.
• Позитивні кристали- одновісні кристали, у яких швидкість поширення звичайного променя світла більша, ніж швидкість поширення незвичайного променя.

При проходженні світла через деякі кристали світловий промінь поділяється на два промені. Це явище отримало назву подвійного променезаломлення. Подвійне променезаломлення – роздвоєння світлового променя при проходженні через оптично анізотропне середовище, обумовлене залежністю показника заломлення (а, отже, і швидкості хвилі) від її поляризації та орієнтації хвильового вектора щодо кристалографічних осей. Якщо на кристал ісландського шпату направити вузький пучок світла, то з кристала вийдуть два просторово розділені промені паралельні один одному і падаючого променя - звичайний (о) і незвичайний (е). Звичайний промінь задовольняє звичайному закону заломлення і лежить в одній площині з падаючим променем та нормаллю до межі розділу в точці падіння. Для незвичайного променя ставлення залежить від кута падіння. Крім того, незвичайний промінь не лежить, як правило, в одній площині з падаючим променем і нормаллю до поверхні розділу. Експеримент показує, що промені, що вийшли з кристала, плоскополяризовані у взаємно перпендикулярних напрямках. Явище подвійного променезаломлення спостерігається всім прозорих кристалів, крім кристалів кубічної системи. У одновісних кристалів є напрям, уздовж якого світло поширюється, не поділяючись на два промені. Цей напрямок називається оптичною віссю кристала. Будь-яка площина, що проходить через оптичну вісь, називається головним перетиномабо головною площиною кристала.Площина, що проходить через промінь і оптичну вісь, що перетинає його, називається головною площиною (головним перетином) одновісного кристала для цього променя. Площина коливань звичайного променя перпендикулярна головному перерізу кристала. Коливання вектора в незвичайному промені відбуваються в основній поверхні кристала. Крім одновісних, існують двовісні кристали, які мають два напрями, вздовж яких світло не поділяється на два промені. У двовісних кристалах обидва промені є незвичайними.

Подвійне променезаломлення пояснюється анізотропією кристалів. У кристалах некубічної системи діелектрична проникність залежить від напрямку. Вектор звичайного променя завжди перпендикулярний до оптичної осі кристала (перпендикулярний головному перерізу). Тому при будь-якому напрямку поширення звичайного променя швидкість світлової хвилі буде та сама, показник заломлення кристала для звичайного променя не залежить від напрямку променя в кристалі і дорівнює Вектор незвичайного променя коливається в головній площині кристала, він може складати з оптичною віссю будь-які кути від 0 до Тому швидкість поширення світла вздовж незвичайного променя і показник заломлення кристала для незвичайного променя залежать від напрямку променя по відношенню до оптичної осі. При поширенні світла вздовж оптичної осі обидва промені збігаються, швидкість світла не залежить від напрямку коливань вектора (в обох променях вектор перпендикулярний до оптичної осі), показник заломлення незвичайного променя збігається з показником заломлення звичайного променя: При поширенні світла в будь-якому Показник заломлення вздовж незвичайного променя відрізняються від відповідних значень для звичайного променя. Найбільша відмінність спостерігається у напрямку, перпендикулярному до оптичної осі. В цьому напрямку де - Швидкість незвичайного променя в цьому напрямку. За показник заломлення незвичайного променя набувають значення напряму поширення, перпендикулярного до оптичної осі кристала. Розрізняють позитивні та негативні одновісні кристали. У позитивних кристалів > (< ), у отрицательных – < ( > ).

У деяких кристалах один з променів поглинається сильніше за інший. Це явище називається дихроїзмом .

Використовуючи принцип Гюйгенса, можна графічно побудувати хвильові поверхні звичайного та незвичайного променів. На малюнку представлені хвильові поверхні променів із центром у точці 2 для моменту, коли хвильовий фронт падаючої хвилі досягає точки 1 . Уздовж оптичної осі обидва промені розповсюджуються з однаковою швидкістю. Хвильова поверхня для звичайного променя, що виходить із крапки 2 , сфера (у перерізі площиною – коло), для незвичайного – еліпсоїд (у перерізі площиною – еліпс). Огинають всіх вторинних хвиль, центри яких знаходяться між точками 1 і 2 , є площини. Фронт звичайної хвилі – дотична з точки 1 до кола; фронт незвичайної хвилі – дотична з точки 1 до еліпсу. Для звичайного променя напрямок поширення енергії світлової хвилі збігається з нормаллю до хвильової поверхні; звичайний промінь перпендикулярний до хвильової поверхні. Для незвичайного променя напрямок поширення енергії не збігається з нормаллю до хвильової поверхні; Незвичайний промінь проходить через точку торкання хвильового фронту з еліпсом.

Подвійне променезаломлення

Для отримання поляризованого світла користуються також явищем подвійного променезаломлення.

«З Ісландії, острова, що у Північному морі, на широті 66°, - писав Гюйгенс в 1678 р.,- був привезений камінь (ісландський шпат), дуже чудовий за своєю формою та іншим якостям, але найбільше за своїми дивним заломлюючим властивостям ».

Якщо шматок ісландського шпату покласти якийсь напис, то крізь нього ми побачимо напис здвоєної (рис. 133).

Рис. 133. Подвійне променезаломлення.

Роздвоювання зображення відбувається внаслідок того, що кожному падаючому на поверхню кристала променю відповідають два заломлені промені. На рис. 134 зображено випадок, коли падаючий промінь перпендикулярний поверхні кристала; тоді промінь, званий звичайним, проходить крізь кристал незаломленим, а промінь O званий незвичайним, йде ламаною, зображеною на рис. 134.

Рис. 134. Хід променів при подвійному променезаломленні.

Назви променів зрозумілі: звичайний промінь поводиться так, як ми цього очікували виходячи з відомих законів заломлення. Незвичайний промінь як би порушує ці закони: він падає по нормалі до поверхні, але зазнає заломлення. Обидва промені виходять із кристала плоскополяризованими, причому вони поляризовані у взаємно-перпендикулярних площинах. У цьому легко переконатись досить простим досвідом. Візьмемо якийсь аналізатор (наприклад, стопу) і подивимося крізь нього на роздвоєну картину, що дається кристалом. При певному положенні стопи ми побачимо лише одне із зображень, друге буде погашено. При повороті стопи навколо променя зору на 90 ° це друге зображення з'явиться, зате зникне перше. Таким чином, ми дійсно переконуємось у тому, що обидва зображення поляризовані і саме так, як це було щойно зазначено.

Цікаво, що у 1808 р. Малюс цілком випадково зробив подібний досвід і відкрив поляризацію світла при відбитку скла. Подивившись крізь шматок ісландського шпату на відображення заходу сонця у вікнах Люксембурзького палацу в Парижі, він з подивом виявив, що два зображення, що виникли в результаті подвійного заломлення, мали різну яскравість. Повертаючи кристал, Малюс побачив, що зображення по черзі то робилися яскравішими, то загасали. Малюс спочатку вирішив, що тут даються взнаки коливання сонячного світла в атмосфері, але з настанням ночі повторив досвід зі світлом свічки, відбитим від поверхні води, а потім скла. В обох випадках, проте, ефект підтвердився. Малюсу належить термін «поляризація» світла.

Перейдемо тепер до більш детального аналізу явища подвійного променезаломлення. Якщо ми змінюватимемо кут падіння променя на поверхню кристала, то при цьому виявиться нова чудова властивість незвичайного променя. Виявляється, що його показник заломлення не є постійним, а залежить від кута падіння. Оскільки від кута падіння залежить і напрямок заломленого променя в кристалі, можна сформулювати зазначену властивість ще так: показник заломлення незвичайного променя залежить від його напрямку в кристалі. Переходячи, зрештою, від показника заломлення до швидкості поширення, можна сказати, що швидкість незвичайного променя в кристалі залежить від напряму його поширення.

У цьому остаточному формулюванні оптичні властивості кристала збігаються з його рештою властивостей: діелектрична постійна, теплопровідність і пружність кристала також неоднакові з різних напрямків. Відповідність між анізотропією оптичних та електричних властивостей кристала стає цілком зрозумілою, якщо згадати, що швидкість світла обернено пропорційна кореню квадратному з діелектричного постійного середовища. Тому, строго кажучи, швидкість розповсюдження світлової хвилі залежить не від напряму розповсюдження, а від напряму електричного поля світлової хвилі. Якщо навіть по одному напрямку в кристалі поширюються дві поляризовані у взаємно-перпендикулярних площинах світлові хвилі, їх швидкості будуть різні (за винятком деяких спеціальних випадків). Прикладом двох таких хвиль є незвичайний та звичайний промені.

Якщо від точки, що лежить на поверхні ісландського шпату, провести всередині кристала радіуси-вектори, величина яких пропорційна швидкості світла за відповідними напрямками, кінці їх лежатимуть на поверхні еліпсоїда обертання. Це еквівалентно тому, що хвильова поверхня світлових коливань, що поширюються від точки, має форму еліпсоїду на відміну від сферичної при поширенні в аморфному тілі. Весь час йдеться, звичайно, йде про незвичайний промінь. Звичайні промені, очевидно, утворюють сферичну хвильову поверхню. Таким чином, у кристалі ми маємо два типи хвильових поверхонь: еліпсоїди та сфери. Ці еліпсоїди та сфери стикаються в точках, що лежать на прямих, званих оптичними осями кристала.

Зрозуміло, що світло поширюється у напрямку оптичної осі зі швидкістю, яка зовсім не залежить від стану поляризації. В ісландському шпаті є лише один напрямок оптичної осі - одновісний кристал.

Користуючись простим графічним методом, заснованим на принципі Гюйгенса, побудуємо заломлену хвилю як звичайного, і незвичайного променів. Одна хвиля стане дотичною до ряду елементарних сфер, інша буде дотичною до ряду еліпсоїдів. Ми бачимо, що утворюється кут між цими двома плоскими хвилями, що відповідає утворенню кута між заломленими променями, тобто подвійному променезаломленню.

Рис. 5. Побудова Гюйгенса у кристалі.

На відміну від ізотропного середовища в кристалі промінь (незвичайний) не є нормаллю до хвильової поверхні. На рис. 5 про позначає звичайний промінь, e - незвичайний і n - нормаль.

Однак є і в кристалі ісландського шпату такий напрямок, яким і звичайний, і незвичайний промені йдуть з однаковою швидкістю, не поділяючись. Цей напрямок носить назву оптичної осі кристала. Вочевидь, що у оптичної осі лежать точки зіткнення еліпсоїда зі сферою. У площині, перпендикулярній до оптичної осі, лежать напрями, якими різниця швидкостей між звичайним і незвичайним променями максимальна. Простий і незвичайний промені йдуть при цьому по одному напрямку, але незвичайний промінь обганяє звичайний.

Будь-яка площина, що проходить через оптичну вісь, називається головним перетином чи головною площиною кристала.

Крім ісландського шпату до одноосних кристалів належать, наприклад, кварц і турмалін. Є кристали, у яких явища заломлення підпорядковуються ще складнішим законам. Зокрема, для них існують два напрямки, якими обидва промені йдуть з однаковою швидкістю, тому такі кристали називаються двовісними (наприклад, гіпс). У двовісних кристалах обидва промені незвичайні, тобто швидкості поширення обох променів залежать від напрямку.

Турмалін має чудову здатність поглинати один з променів, що виходять при подвійному променезаломленні, завдяки чому кристал турмаліну служить як поляризатор, що дає відразу один поляризований промінь.

Ще в 1850 р. Герапат виявив, що штучно виготовлені кристалики сульфату йодистого хініну мають такі ж властивості, як турмалін.

Рис. 6. Застосування поляроїдів.

Проте окремі кристали були занадто малі і швидко псувалися на повітрі. Лише останніми роками навчилися виготовляти в промислових масштабах целулоїдну плівку, в яку введено велику кількість абсолютно однаково орієнтованих кристаликів сульфату йодистого хініну. Ця плівка називається поляроїдом.

Поляроїд повністю поляризує світло, що не тільки проходить по нормалі до його поверхні, але зберігає свої властивості для променів, що утворюють з нормаллю кути до 30 °. Таким чином, поляроїд може поляризувати досить широкий конус світлових променів.

Поляроїд знайшов собі широке застосування у найрізноманітніших областях. Вкажемо на найбільш цікаве застосування поляроїду в автомобільній справі.

Платівки з поляроїду зміцнюються на передньому склі автомобіля (рис. 6) і на автомобільних фарах. Платівка поляроїду на передньому склі є аналізатором, пластинки на фарах - поляризаторами. Площини поляризації пластин становлять кут 45° з горизонтом і паралельні один одному. Шофер, що дивиться на дорогу крізь поляроїд, бачить відбите світло своїх фар, тобто бачить освітлену ними дорогу, тому що відповідні площини поляризації паралельні, але не бачить світла від фар зустрічного автомобіля, з пластинками з поляроіда. У разі, як неважко переконатися з рис. 6, площини поляризації будуть взаємно перпендикулярні. Тим самим шофер захищений від сліпучої дії фар зустрічного автомобіля.

З поляроїду виготовляються окуляри, крізь які робляться непомітними відблиски світла, відбитого від блискучих поверхонь. Пояснюється це тим, що зазвичай відблиски частково або повністю поляризовані. Поляроїдні окуляри дуже доцільно застосовувати в музеях і картинних галереях (поверхня картин, намальованих олійними фарбами, часто дає відблиски, що заважають розглянути картини і відтінки фарб, що спотворюють).

Одним із найпоширеніших поляризаторів є так звана призма Ніколя, або просто ніколь.

Рис. 7. Розріз призми Ніколя.

Призма Ніколя є кристалом ісландського шпату, розпиляний по діагоналі і склеєний канадським бальзамом (рис. 7). У призмі Ніколя один із променів, що виникають в результаті подвійного променезаломлення, усувається дуже дотепним способом. Звичайний промінь, що заломлюється сильніше, падає на кордон з канадським бальзамом під кутом падіння, більшим, ніж незвичайний промінь. Оскільки показник заломлення канадського бальзаму менший, ніж ісландського шпату, відбувається повне внутрішнє відображення і промінь потрапляє на бічну грань. Бічна грань покрита чорною фарбою і поглинає падаючий на неї промінь. З призми виходить таким чином тільки один плоскополяризований промінь (незвичайний). Площина поляризації цього променя зветься головною площиною ніколю.

Два ніколі, розташовані один за одним, із взаємно-перпендикулярними головними площинами, очевидно, зовсім не пропустять світла. Якщо головні площини будуть паралельні, то крізь ніколи пройде максимальна кількість світла. Виникає питання, скільки світла пропустить така комбінація ніколей при якому-небудь проміжному положенні, коли кут між головними площинами більше нуля, але менше 90°.

Оскільки кожен поляризатор, як ми вже казали, можна порівняти зі щілиною, що пропускає лише коливання, що лежать у її площині, перебіг обчислення інтенсивності світла, що пройшов через два ніколи, зрозумілий. З цією метою зобразимо головні площини ніколей як прямих I u II (рис. 138). Тоді коливання, що виходять з першого ніколю, збігаються з I і якщо ми їх розкладемо на дві компоненти (одну, що збігається з II і другу, до неї перпендикулярну), то перша компонента пройде повністю, а друга, очевидно, буде затримана миколем. Величина амплітуди, що становить коливання за напрямком II, як видно з креслення, дорівнює A де А - амплітуда коливань, що вийшли з першого ніколю. Ця компонента, як ми щойно сказали, пройде повністю; отже, це і буде амплітуда коливання, що пройшов через два ніколи.

Рис. 8. До розрахунку енергії, що пройшла крізь два ніколі.

Енергія світлової хвилі, як і будь-якого вагання, пропорційна квадрату амплітуди; отже, остаточно для світлової енергії, що пройшла крізь два ніколі, ми маємо таку формулу - закон Малюса:

причому I змінюється від до 0 при зміні від 0 до . Таким чином, обертаючи один з ніколей, ми можемо послаблювати світло, що проходить, в будь-яке число разів і отримувати світло будь-якої інтенсивності.

Закон Малюса, очевидно, застосовується для будь-якого поляризатора та аналізатора. Зокрема, тому закону підпорядковується інтенсивність світла, відбитого послідовно від двох скляних дзеркал.

Якщо призма Ніколя служить для отримання одного поляризованого променя, то призма Волластона дає два промені, поляризованих у взаємно перпендикулярних площинах і розташованих симетрично по відношенню до падаючого променя. Влаштування призми Волластона надзвичайно дотепно і особливо чітко показує, як швидкість поширення променів у кристалі залежить від напряму їхньої площини поляризації.

Рис. 9. Призма Волластона.

Призма Волластона складається з двох шматків ісландського шпату, вирізаних паралельно оптичній осі та склеєних так, що оптична вісь одного шматка перпендикулярна до оптичної осі іншого шматка. На рис. 9 оптична вісь правого шматка паралельна площині креслення, а оптична вісь лівого шматка перпендикулярна до неї.

Пучок світла, що падає нормально на верхню межу, розділиться на два промені: звичайний з площиною поляризації, паралельної оптичної осі, і незвичайний, поляризований у перпендикулярному напрямку. Обидва промені йдуть по одному напрямку, але з різними швидкостями, що визначаються показниками заломлення та . Дійшовши до межі розділу з другим шматком, обидва промені змінюються ролями. Площина поляризації звичайного (у першому шматку) променя вже стає перпендикулярною до оптичної осі (другого шматка), отже, цей промінь у другому шматку поширюватиметься як незвичайний. Навпаки, незвичайний у першому шматку промінь буде у другому шматку вже звичайним, оскільки його площина поляризації паралельна оптичній осі цього шматка. Таким чином, один промінь (звичайний у першому шматку) переходить із середовища з показником заломлення в середу з показником заломлення інший (незвичайний у першому шматку) - із середовища в середу з . У ісландського шпату більше. Отже, перший промінь переходить з більш щільного середовища менш щільне, другий - навпаки. В результаті один промінь переломиться на межі вліво, а інший настільки ж вправо, і з призми симетрично увійдуть два поляризовані промені.

Подвійне променепереломлення

Подвійне променепереломлення

Роздвоєння світлових променів при проходженні через анізотропне середовище (напр., кристал), обумовлене залежністю заломлення показника цього середовища від напрямку електрич. вектора світловий (див. КРИСТАЛООПТИКА , ОПТИЧНА АНІЗОТРОПІЯ). При падінні світлової хвилі на анізотропне середовище у ній виникають дві хвилі із взаємно перпендикулярними площинами поляризації (див. ПОЛЯРИЗАЦІЯ СВІТЛА). В одновісних кристалах одна з хвиль має площину полярівації, перпендикулярну гол. перерізу, тобто площині, що проходить через напрямок променя світла та оптичну вісь кристала (звичайний промінь), а інша - площину, паралельну головному перерізу (незвичайний промінь). Швидкість поширення звичайної хвилі і, отже, нею n0 залежить від напрями її поширення, а поширення і показник заломлення nе незвичайної хвилі - залежать. Для незвичайного променя звичайні законизаломлення змінюються; зокрема, він може не лежати у площині падіння. При поширенні вздовж оптич. осі n0=nе та Д. л. Відсутнє. Одновісні зв. позитивними чи негативними залежно від знака різниці nе – n0. Макс. абс. величина цієї різниці служить числової хар-кою Д. л. У двовісних кристалах показники заломлення обох променів, що виникають за Д. л., залежать від напряму поширення. Д. л. двовісних кристалів можна характеризувати трьома основними показниками заломлення.

Д. л. може спостерігатися у природно-анизотропной середовищі, а й у середовищі зі штучно викликаної анізотропією, напр. при накладенні зовніш. поля - електричного (див. КЕРРА ЕФЕКТ), магнітного (див. КОТТОНА - МУТОНА ЕФЕКТ), поля пружних сил(див. ПОЛЯРИЗАЦІЙНО-ОПТИЧНИЙ МЕТОД ДОСЛІДЖЕННЯ НАПРУГ, ФОТОПРУГІСТЬ).

Явище, аналогічне Д. л., спостерігається і в ін. Діапазонах ел.-магн. напр. в діапазоні НВЧ у плазмі, що знаходиться в магн. (а отже, анізотропної); (Див. В ІОНОСФЕРІ).

Фізичний енциклопедичний словник. - М: Радянська енциклопедія. . 1983 .

Подвійне променепереломлення

Роздвоєння світлового променя при проходженні через анізотропне середовище, обумовлене залежністю показника заломлення (а отже, і швидкості хвилі) від її поляризації та орієнтації хвильового вектора щодо кристалографічних. осей, т. е. від напряму поширення (див. Кристалооптика, оптична анізотропія).При падінні світлової хвилі на анізотропному середовищі в останній виникають дві заломлені хвилі, що мають різну поляризацію та йдуть у різних напрямках з разл. швидкостями. Ставлення амплітуд цих хвиль залежить від поляризації падаючої хвилі. Розрізняють лінійне та еліптичне Д. л. залежно від властивостей та симетрії кристалів.

У прозорих немагн. кристалах без дисперсії просторовоївідбувається лінійне Д. л. - З'являються дві лінійно поляризи. хвилі, вектори індукції к-рих D 1 і D 2 взаємно ортогональні та відповідно ортогональні векторам магн. поля H 1 і H 2 . Д. л. у кристалах можна описати, навівши діелектричної проникності. до головних осей і задавши значення: - "Головні показники заломлення"; величину Д. л. зазвичай описують макс. різницею цих показників заломлення. При проходженні світла через кордон двох анізотропних середовищ відбувається більше складне перетвореннядвох падаючих хвиль у дві заломлені.

У прозорих магн. кристалах без просторів. дисперсії також має місце лінійне Д. л., проте вектори індукцій (електричної D та магнітної У ) у двох хвилях не ортогональні ( ).

Д. л. у цьому випадку є наслідком того, що електрич. та магн. проникності описуються разл. тензорами; у гіпотетич. середовищі, де (-скаляр), Д. л. не було б (але швидкості хвиль залежали б від напрямку).

У прозорих немагн. кристалів з просторів. дисперсією першого порядку - гіротропією -падаюча хвиля розпадається на дві хвилі (що йдуть по різних напрямках з різними швидкостями), поляризовані еліптично, причому відповідні осі еліпсів D 1 і D 2 ортогональні, а напрямки обходу цих еліпсів протилежні - відбувається еліптичне Д. л. У деякій області частот можлива поява навіть більшого числахвиль - 3 чи 4.

У кристалах, що мають поглинання, картина Д. л. більш складна. Як відомо, хвилі в поглинаючих середовищах неоднорідні; вектори E, D і H, В в загальному випадкуполяризовані еліптично, причому еліпси різні та орієнтовані по-різному. Тому у випадку має місце еліптичне Д. л.; еліпси векторів двох хвиль D 1 і D 2 подібні, ортогональні і мають один напрямок обходу, але різні розміри внаслідок анізотропії поглинання (див. Діхроїзм).Те саме має місце для векторів B 1 і B 2 , Проте еліпси їх від перших формою і орієнтацією (орієнтації збігаються лише за кругової поляризації).

Залежно від властивостей симетрії анізотропного середовища в ній є кілька обраних напрямків, в яких брало Д. л. Відсутнє; ці напрями зв. оптич. осями. Можуть бути осі ізотропні, уздовж яких брало хвилі будь-якої поляризації поширюються з однаковою швидкістю, і осі кругові, уздовж яких брало без Д. л. може поширюватися лише хвиля визнач. кругової поляризації знак. Прозорі кристали нижчих сингоній зазвичай мають дві ізотропні осі, при симетрії вище 222 D 2(Див. Симетрія кристалів)вони зливаються в одну. За наявності поглинання кристали нижчих сингоній мають одну ізотропну вісь (в окремому випадку ромбіч. сингоній - дві) та (або) кілька кругових.

Д. л. може спостерігатися у природно-анизотропной середовищі, а й у середовищі з мистецтв. анізотропією, спричиненою асиметричними деформаціями, внутр. натягами (див. Фотопружність),додатком акустич. поля (див. акустооптика),додатком електричних (див. Керра ефект)або магнітних (див. Коттона - Мутон ефект)полів, анізотропним нагріванням. У рідинах можливе створення Д. л. в потоці, якщо рідини або розчиненої речовини мають несферич. формою та анізотропною поляризованість.

Явище, аналогічне Д. л, спостерігається і в ін. Діапазонах ел.-магн. напр. в діапазоні НВЧ у плазмі, що знаходиться в магн. поле (а отже, анізотропне); див. Хвилі у плазмі.

Літ.:Федоров Ф. І., Оптика анізотропних середовищ. Мінськ, 1958, Кізель Ст А., Відображення світла, M , 1973, гол. 1, 2; Федоров Ф. І., Філіппов Ст Ст, Відображення і прозорими кристалами, Мінськ. 1976; Дорожкін Л. M. та ін., Вимірювання показників заломлення монокристалів методом рівних відхилень, " Короткі повідомленняз фізики", 1977, № 3, с. 8; Stamnes J., Sherman G., Reflection and refraction of arbitrary wave at plane interface separating two uniaxial crystals, "J. Opt. Soc. Amer.", 1977, стор. Opt. Soc. Amer.", 1981, v. 71, p. 1238.

Ст. А. Кізель.

Фізична енциклопедія. У 5-ти томах. - М: Радянська енциклопедія. Головний редакторА. М. Прохоров. 1988 .

Дивитись що таке "Подвійне промене переломлення" в інших словниках:

Подвійне променезаломлення- (схема): MN напрямок оптичної осі; про звичайний промінь; е незвичайний промінь. Подвійне промінь, роздвоєння світлового променя при проходженні через анізотропне середовище. Відкрито в 1670 датським фізиком Е. Бартоліном на кристалі ісландського. Ілюстрований енциклопедичний словник

Подвійне промінь, роздвоєння світлового променя при проходженні через анізотропне середовище. Відкрито в 1670 році датським фізиком Е. Бартоліном на кристалі ісландського шпату (CaCO3). У деяких кристалах, наприклад турмаліні, кожен із роздвоєних… … Сучасна енциклопедія

Роздвоєння світлових променів при проходженні через анізотропне середовище (див. Анізотропія), що відбувається внаслідок залежності показника заломлення середовища від напрямку напруженості електричного поля світлової хвилі. Світлова хвиляв анізотропному… Великий Енциклопедичний словник

подвійне променезаломлення- Роздвоєння світлових променів при заломленні на кордоні з анізотропним середовищем. [Збірник термінів, що рекомендуються. Випуск 79. Фізична оптика. Академія наук СРСР. Комітет науково-технічної термінології. 1970 р.] Тематики фізична оптика Узагальнюючі … Довідник технічного перекладача

Оптичні властивості галіту та кальциту … Вікіпедія

Роздвоєння променів світла при проходженні через оптично анізотропне середовище (напр., більшість кристалів), що відбувається внаслідок залежності показника заломлення від напрямку електрич. вектор Е світлової хвилі. В одновісному кристалі (див. … … Великий енциклопедичний політехнічний словник

Розщеплення пучка світла в анізотропному середовищі (наприклад, кристалі) на два складових, що поширюються з різними швидкостями і поляризованих у двох взаємно перпендикулярних площинах. Д. л. вперше виявлено та описано професором… … Велика Радянська Енциклопедія

Роздвоєння світлових променів при проходженні через анізотропне середовище (див. Анізотропія), що відбувається внаслідок залежності показника заломлення середовища від поляризації та орієнтації хвильового вектора щодо кристалографічних осей, тобто. Енциклопедичний словник

подвійне променезаломлення- Birefringence Подвійне променезаломлення Оптичне явищеобумовлене наявністю у кристала різних показників заломлення для двох взаємноперпендикулярних орієнтацій площини поляризації світла У загальному випадку, у двопроменяючих ... Тлумачний англійсько-російський словникз нанотехнології. – М.

подвійне променезаломлення- djoopas spindulių lūžimas statusas t sritis standartizacija ir metrologija apibrėžtis anizotropinėje terpėje sklindančio šviesos spindulio skaidymasis du spindulius. atitikmenys: англ. birefringence; double refraction vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas