Поляризація світла. Методи одержання поляризованого світла

ФІЗИКА

Частина 4

ОПТИКА. СПЕЦІАЛЬНА ТЕОРІЯ ВІДНОСНОСТІ

Розділ 12 ХВИЛЬОВІ ВЛАСТИВОСТІ СВІТЛА

12.7. Поляризація світла. Методи одержання поляризованого світла

Розглянуті явища дисперсії, інтерференції та дифракції світла яскраво підтверджують його хвильову природу. Деякі фізики XVIII – початку XIX ст., серед яких основоположники хвильової теорії світла X. Гюйгенс, Т. Юнг, вважали світлові хвилі поздовжніми. Так легше було пояснити поширення світла в так званому ефірі, який уявляли як дуже розріджений газ, оскільки, як відомо,

в газах і рідинах поширюються лише поздовжні хвилі. Проте 1819 р. О. Френель і Д. Араго відкрили нове явище – поляризацію світла, яке неможливо пояснити, виходячи з таких уявлень. Розглянемо проходження світла через кристал турмаліну. Візьмемо дві однакові прямокутні пластинки з турмаліну, вирізані так, що одна із сторін (затемнена на рис. 12.14, а) прямокутника збігається з певним напрямом усередині кристала, що називається оптичною віссю. Накладемо одну пластинку на другу так, щоб їхні осі збігалися за напрямом, і пропустимо через складену пару пластинок вузький пучок світла від якогось джерела або від Сонця. Обертаючи одну з пластинок навколо пучка (друга нерухома), виявимо, що слід пучка ставатиме слабшим, а коли пластинка повернеться на 90°, він зовсім зникне (рис. 12.14, б). При подальшому обертанні пластинки пучок світла, що проходить, знову почне посилюватись і досягне попередньої інтенсивності при повертанні пластинки на 180°, тобто, коли оптичні осі пластинок знову розмістяться паралельно. При подальшому обертанні кристала турмаліну пучок знову слабшає, проходить через мінімум (зникає), коли осі пластинок перпендикулярні, і досягає попередньої інтенсивності, коли пластинка повертається в початкове положення. Отже, при обертанні пластинки на 360° інтенсивність пучка світла, що пройшов через обидві пластинки, двічі досягне максимуму (якщо осі пластинок паралельні) і двічі пройде через мінімум (якщо осі перпендикулярні). Перебіг цих явищ абсолютно однаковий незалежно від того, яку з двох пластинок ми повернули і в який бік, а також від того, будуть дотикатись пластинки одна до одної, чи перебуватимуть на деякій відстані. Проте якщо забрати одну з пластинок і обертати другу або обертати обидві пластинки разом так, щоб їхні осі весь час утворювали незмінний кут, то інтенсивність пучка світла не змінюватиметься. Отже, інтенсивність змінюватиметься тільки тоді, коли світло, яке пройшло одну пластинку, потрапляє на другу, вісь якої змінює свій напрям відносно осі першої пластинки. Світло, що пройшло через турмалін, набуває особливих властивостей. Світловий пучок перестає бути симетричним відносно променя: площина, в якій розміщується промінь і вісь пластинки турмаліну, відрізняється від площини, в якій розміщується промінь і перпендикуляр до осі пластинки турмаліну. Тому здатність такого променя проходити через другу пластинку турмаліну залежить від орієнтації її відносно променя. Такої асиметрії немає в пучку світла, що йде безпосередньо від джерела, і орієнтація пластинки турмаліну для такого пучка світла не впливає на його інтенсивність. Ці явища можна пояснити так.

1. Пластинка турмаліну здатна пропускати світлові коливання тільки в тому разі, коли вони напрямлені паралельно її оптичній осі.

2. Світлові коливання в пучку напрямлені перпендикулярно до лінії поширення світла (світлові хвилі поперечні).

3. Світло від джерела (Сонця) має поперечні коливання будь-якого напряму і до того ж кількісне відношення їх однакове, отже, жодний напрям не є переважальним. Світло, в якому в однаковій кількості є всі напрями поперечних коливань, називають природним. Проходження природного світла через турмалін призводить до того, що з усіх напрямів поперечних коливань відбираються лише ті, які пропускає турмалін. Тому світло, що пройшло через турмалін, є сукупністю поперечних коливань одного напряму, який визначається орієнтацією осі пластинки турмаліну. Таке світло називають плоскополяризованим.

А б

Рис. 12.14

Площину, в якій коливається електричний вектор, називають площиною коливань поляризованого світла, а площину, перпендикулярну до неї, – площиною поляризації. Явище одержання поляризованого світла з природного називають поляризацією. Отже, при проходженні світла через дві послідовно поставлені пластинки турмаліну перша пластинка поляризує (її називають поляризатором) пучок світла, що проходить через неї, і залишає в ньому коливання лише одного напряму. Ці коливання можуть пройти через другу пластинку турмаліну повністю тільки тоді, коли напрям їх збігається з напрямом коливань, що пропускаються другою пластинкою, тобто коли її оптична вісь паралельна осі першої пластинки. Якщо ж напрям коливань поляризованого світла перпендикулярний до напряму коливань, які пропускаються другою пластинкою, то світло буде повністю затримане. Це відбувається тоді, коли пластинки турмаліну схрещені, тобто їхні осі утворюють кут 90 . Нарешті, якщо напрям коливань у поляризованому світлі утворює гострий кут з напрямом, який пропускає турмалін, то коливання будуть пропущені частково. Другу пластинку, за допомогою якої спостерігають поляризацію світла, називають аналізатором.

Крім кристала турмаліну відомі й інші кристали, які поляризують світло. Проте більшість із них, наприклад ісландський шпат, пропускає одночасно два промені, поляризовані в двох взаємно перпендикулярних напрямах. Це нерідко створює труднощі в спостереженні поляризованого світла і потребує спеціальних пристосувань для відокремлення одного з цих променів від другого. Турмалін поглинає один з поляризованих променів настільки сильно, що через пластинку, товщина якої близько 1 мм, практично проходить тільки один промінь, поляризований у певному напрямі.

Поляризація світла спостерігається не тільки при проходженні його через кристалічні пластинки, айв інших випадках, наприклад при відбиванні й заломленні світла. Одним із найпростіших способів одержання плоскополяризованого світла (коливання відбуваються в одній площині) є відбиття світла від поверхні скла. Експериментально встановлено, що відбите від поверхні ізотропного діелектричного середовища світло буде повністю поляризованим, якщо тангенс кута падіння дорівнює його показнику заломлення:

Співвідношення (12.25) називають законом Брюстера, а кут φ – кутом повної поляризації, або кутом Брюстера.

Світло поляризується при розсіянні на частинках, значно менших за світлову хвилю. Розсіяне світло під кутом 90° до напряму поширення пучка світла є повністю поляризованим. Під іншими кутами воно виявляється частково поляризованим. Частково поляризоване світло відрізняється від природного (неполяризованого) тим, що у нього амплітуда коливань у одній певній площині більша чи менша від амплітуд коливань в інших площинах. Прикладом такого частково поляризованого світла є світло, відбите від скла під кутом, що відрізняється від кута повної поляризації, а також світло, заломлене склом, яким користуються для одержання майже повністю поляризованого світла. Для цього світло пропускають через сукупність скляних пластинок. При кожному заломленні ступінь поляризації збільшується і при зростанні кількості пластинок наближається до 100 % . Практично вже при дев’яти пластинках ступінь поляризації достатній. Усі прилади, що дають поляризоване світло, називають поляризаторами. Ці прилади використовують також для виявлення поляризації світла. В цьому разі їх називають аналізаторами.

Для одержання плоскополяризованого світла застосовують так звані поляроїди – целулоїдні плівки, на які наносять однаково орієнтовані кристали герапатиту – сульфату йодистого хініну. їх широко використовують в автомобільній промисловості. Наприклад, пластинки поляроїда закріплюють на передньому склі автомобіля і на фарах. Пластинка поляроїда на передньому склі є аналізатором, пластинки на фарах – поляризаторами. Площини поляризації пластинок утворюють кут 45° з горизонтом і паралельні одна одній. Водій, дивлячись на дорогу через поляроїд, бачить відбите світло від фар своєї машини, тобто бачить освітлену ними дорогу, оскільки відповідні площини поляризації паралельні, але не бачить світла від фар зустрічного автомобіля, які покриті поляроїдом. Площини поляризації їх взаємно перпендикулярні. Це захищає водія від осліплювальної дії фар зустрічного автомобіля.

Отже, відкриття О. Френелем і Д. Араго поляризації світла свідчить про те, що світлові хвилі поперечні. При цьому виникло чимало труднощів, зокрема з тим, що гіпотеза пружного ефіру і уявлення про світло як про пружні хвилі в ньому не знайшли наукового обгрунтування. Далі було встановлено факти, що виявили тісний зв’язок між електромагнітними й оптичними явищами; поставлено досліди, які показували можливість впливу за допомогою магнітного або електричного поля на характер поляризації світла, яке випромінюється атомами, можливість за допомогою світла спричинити деякі електричні процеси (наприклад, фотоефект). Зв’язок між оптичними й електромагнітними явищами знайшов своє повне відображення в електромагнітній теорії світла Максвелла.

Отже, світлові хвилі – це електромагнітні хвилі, які є поширенням змінних електричного й магнітного полів, причому напруженості електричного й магнітного полів перпендикулярні одна до одної й до лінії поширення хвилі: світлові (електромагнітні) хвилі поперечні. Поперечність світлових хвиль, доведена в дослідах з поляризації світла, природно пояснюється електромагнітною теорією світла. Напрям світлових коливань визначається напрямом коливань вектора електричної напруженості. Спеціальні досліди дали змогу встановити, що у хвилі, яка проходить через турмалін, коливання вектора електричної напруженості напрямлені вздовж оптичної осі турмаліну. Крім плоскополяризованого світла є ще два важливих види поляризованого світла – світло, поляризоване по колу, і еліптично поляризоване світло. У випадках поляризації світла по колу і еліпсу вектор напруженості електричного поля Е обертається навколо напряму поширення з частотою світлових коливань, а кінець вектора Е описує при цьому коло або еліпс відповідно. Аналогічний процес і для вектора напруженості магнітного поля Н. Якщо при спостереженні променя, що йде назустріч спостерігачу, вектор напруженості електричного поля обертається за ходом стрілки годинника, то такий промінь світла називають поляризованим по правому колу. Якщо ж за цих умов обертання відбувається проти ходу стрілки годинника, то світло буде поляризованим по лівому колу. Проте найбільш загальним типом поляризації світла є еліптично поляризоване світло, інші види поляризації є його окремими випадками. З еліптичною поляризацією пов’язане загальне визначення природного світла. С. І. Вавилов писав, що природне світло теоретично можна здійснити численними способами, розглядаючи його або як результат накладання однотипних еліпсів з хаотично розміщеними осями, або як суму будь-яких хаотично орієнтованих еліпсів.