Каким образом можно установить что луч поляризован. Волновая оптика
Поляризация для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Когерентное электромагнитное излучение может иметь: Эллипс поляризации Линейную… … Википедия
I. Определения. II. Прямолинейно поляризованный свет. III. Эллиптически поляризованный свет. IV. Источники поляризованного света. V. Распознавание поляризованного света. VI. Отражение и преломление поляризованного света. VII. Вращение плоскости П …
Содержание: 1) Основные понятия. 2) Teopия Ньютона. 3) Эфир Гюйгенса. 4) Принцип Гюйгенса. 5) Принцип интерференции. 6) Принцип Гюйгенса Френеля. 7) Принцип поперечности колебаний. 8) Завершение эфирной теории света. 9) Основание эфирной теории.… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Содержание: 1) Основные понятия. 2) Теория Ньютона. 3) Эфир Гюйгенса. 4) Принцип Гюйгенса. 5) Принцип интерференции. 6) Принцип Гюйгенса Френеля. 7) Принцип поперечности колебаний. 8) Завершение эфирной теории света. 9) Основание эфирной теории.… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Простейшие поляризационные приборы, один из классов призм оптических П. п. служат линейными поляризаторами с их помощью получают линейно поляризованное оптическое излучение (см. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА). Обычно П. п. состоят из двух или более… … Физическая энциклопедия
Объединяют родственные оптич. методы исследования оптически активных (хиральных) соед.: поляриметрию (ПМ), дисперсию оптич. вращения (ДОВ) и круговой дихроизм (КД). X. м. основаны на взаимод. поляризованного света с хиральными структурами, к рые… … Химическая энциклопедия
- (оптика) явление, происходящее с лучами поляризованного света, проходящими через некоторые кристаллы, жидкости и пары, находящиеся в естественном состоянии или же под влиянием магнетизма. Световые лучи, исходящие от самосветящихся тел (солнце,… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Иллюстрация поляризации отражённого света, падающего на границу раздела сред под углом Брюстера Закон Брюстера закон оптики, выражающий связь показателя преломления диэлектрика с таким углом п … Википедия
Иллюстрация поляризации отражённого света, падающего на границу раздела сред под углом Брюстера Закон Брюстера закон оптики, выражающий связь показателя преломления с таким углом, при котором свет, отражённый от границы раздела, будет полностью… … Википедия
Иллюстрация поляризации отражённого света, падающего на границу раздела сред под углом Брюстера Закон Брюстера закон оптики, выражающий связь показателя преломления с таким углом, при котором свет, отражённый от границы раздела, будет полностью… … Википедия
Поглощение света. Эффект Черенкова-Вавилова
1. Поперечность световых волн и виды поляризация света
1.1. Линейная поляризация
1.2. Частично поляризованный свет. Степень поляризации
1.3. Эллиптическая и круговая поляризация
2. Закон Малюса
3. Поляризация света при отражении. Закон Брюстера
4. Элементы кристаллооптики. Двойное лучепреломление
5. Анизотропия – причина двулучепреломления
6. Дихроизм
7. Призма Николя
8. Искусственное двулучепреломление
9. Вращение плоскости поляризации. Поляриметрия
10. Применение поляризации: ЖК-монитор
11. Интерференция поляризованного света
12. Явление дисперсии света. Дисперсия вещества. Нормальная и аномальная дисперсия
13. Теория дисперсии Лоренца. Связь поглощения света и аномальной дисперсии
14. Поглощение света. Закон Бугера
15. Эффект Черенкова-Вавилова
1. Поперечность световых волн и виды поляризации света
Следствием теории Максвелла является поперечность световых волн: векторы напряженности электрического и магнитного полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны (рис.19.1). При рассмотрении поляризации обычно все рассуждения связывают с плоскостью колебаний вектора напряженности электрического поля – светового вектора, так как химическое, физиологическое и другие виды воздействия света на вещество обусловлены главным образом электрическими колебаниями.
Электромагнитная волна от отдельного элементарного излучателя (атома, молекулы) всегда поляризована. В свете, испускаемом обычными источниками, имеются колебания, совершающиеся в различных направлениях, перпендикулярных к лучу. В таких световых волнах, исходящих из различных элементарных излучателей (атомов), векторы имеют различные ориентации, причем все эти ориентации равновероятны , что обусловлено большим числом атомных излучателей. Такой свет называется естественным , или неполяризованным (рис.19.2).
1.1. Линейная поляризация
 |
Свет называется линейно (или плоско) поляризованным, если колебания светового напряжённости электрического поля происходят в одной плоскости (плоскость ОXY на рис.19.1). Плоскополяризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами (рис.19.3). Эти приборы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости, которая называется главной плоскостью поляризатора , и полностью задерживают колебания, перпендикулярные к этой плоскости. Действие поляроида можно проиллюстрировать на механической модели (рис.19.4): упругая поперечная волна, распространяющаяся по шнуру, проходит беспрепятственно, если щель в преграде ориентирована так же, как и плоскость колебаний. Если плоскость колебаний перпендикулярна щели, колебаний за преградой не будет. То же и для электромагнитной волны (рис.19.5). С помощью поляризатора (поляроида) из пучка естественного света можно выделить часть, в которой колебания вектора https://pandia.ru/text/78/081/images/image007_14.png" width="577" height="345">
Плоскость, в которой колеблется световой вектор (то есть вектор напряжённости электрического поля https://pandia.ru/text/78/081/images/image002_22.png" width="17" height="23 src=">, а перпендикулярная к ней плоскость (см. рис.19.1).
Естественный свет можно представить как суперпозицию двух некогерентных волн одинаковой интенсивности, линейно полиризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.19.6). Отсюда получим, что, проходя через идеальный поляроид, естественный свет ослабляется вдвое:
 |
1.2. Частично поляризованный свет. Степень поляризации
При прохождении естественного света через неидеальный поляроид свет становится частично поляризованным, то есть колебания светового вектора происходят во всевозможных направлениях, но существует преимущественное направление колебаний . Частично поляризованный свет можно представить как суперпозицию лучей естественного и линейно поляризованного (рис. 19.7, а), либо как суперпозицию двух некогерентных линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях лучей разной интенсивности (рис. 19.7, б).
 |
Поставим на пути частично поляризованного света идеальный поляроид-анализатор. Если его главная плоскость параллельна плоскости колебаний поляризованной компонентны (рис. 19.7, а), то она пройдёт через анализатор. Половина интенсивности неполяризованного естественного света тоже пройдёт (19.1). На выходе из анализатора интенсивность света будет максимальна и равна:
.
Повернув главную плоскость анализатора на угол 900, получим минимальную интенсивность на выхоле, так как поляризованная компонента не пройдёт:
Степенью поляризации Р частично поляризованного света называется
, (19.2)
Степень поляризации, таким образом, показывает долю поляризованной компоненты от полной интенсивности света.
1.3. Эллиптическая и круговая поляризация
Рассмотрим две когерентные плоскополяризованные световые волны, распространяющиеся вдоль оси x , плоскости колебаний которых взаимно перпендикулярны. Пусть колебания в одной волне совершаются вдоль оси y , во второй – вдоль оси z (рис.19.8). Проекции световых векторов этих волн на соответствующие оси изменяются по закону:
(19.3)
Величины https://pandia.ru/text/78/081/images/image018_7.png" width="27 height=29" height="29"> представляют собой координаты конца результирующего светового вектора . Исключая переменную t , получим:
. (19.4)
В общем случае это – уравнение эллипса. Таким образом, две когерентные плоско поляризованные световые волны, плоскости колебаний которых взаимно перпендикулярны, при наложении друг на друга дают волну, в которой световой вектор (вектор ) изменяется со временем так, что конец его описывает эллипс . Такой свет называется эллиптически поляризованным .
https://pandia.ru/text/78/081/images/image021_6.png" width="59" height="19"> эллипс вырождается в прямую, и получается плоско поляризованный свет..png" width="17" height="23 src="> различают правую и левую эллиптическую и круговую поляризацию. На рис.19.8 поляризация – левая (конец вектора вращается по часовой стрелке, если смотреть навстречу лучу), а на 19.9 и 19.10 – правая.
 |
2. Закон Малюса
Поставим на пути естественного луча два поляризатора, главные плоскости которых образуют угол φ (рис.19.11). При вращении поляризатора вокруг направления естественного луча интенсивность прошедшего плоскополяризованного света остаётся одной и той же, изменяется лишь ориентация плоскости колебаний света, выходящего из прибора.
Пусть E 0 – амплитуда колебаний падающей на анализатор волны. Разложим это колебание на два взаимно перпендикулярных, происходящих в одной и той же фазе, с амплитудами: https://pandia.ru/text/78/081/images/image025_5.png" width="28" height="25 src=">– перпендикулярно ей (рис.19.11).
; (19.5)
https://pandia.ru/text/78/081/images/image028_6.png" width="13" height="19 src=">~, поэтому из (19.5) получим:
или для интенсивности I прошедшей через анализатор волны:
https://pandia.ru/text/78/081/images/image032_7.png" width="618" height="385">
I
0
–
интенсивность падающей на анализатор линейно поляризованной волны, φ
– угол между главной плоскостью анализатора и плоскостью колебаний падающей на анализатор волны
.
Или: φ – угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора. Соотношение (19.6) носит название закона Малюса .
В естественном свете все значения φ равновероятны. Поэтому доля света, прошедшего через поляризатор, будет равна среднему значению , т. е. ½ (см.(19.1)):
Интенсивность света, вышедшего из второго поляризатора (анализатора), равна:
. (19.7)
 |
При вращении анализатора (рис.19..png" width="43" height="20 src="> при Относительные показатели" href="/text/category/otnositelmznie_pokazateli/" rel="bookmark">относительного показателя преломления двух сред, на границе которых происходит отражение и преломление света. Шотландский физик Д. Брюстер, исследуя явление поляризации света, в 1815 г. установил связь между относительным показателем преломления диэлектрика https://pandia.ru/text/78/081/images/image041_5.png" width="20" height="25"> (угол Брюстера), при котором отраженный луч полностью поляризован:
https://pandia.ru/text/78/081/images/image043_6.png" width="123" height="52 src=">. (19.8)
Если свет падает на границу раздела двух диэлектриков под углом Брюстера , определяемым соотношением (19.8), то отражённый луч полностью линейно поляризован, а преломлённый луч будет поляризован частично, но максимально по сравнению с другими углами падения (рис.19.13). При этом отражённый и преломлённый лучи перпендикулярны друг другу.
Запишем закон преломления:
. (19.9)
Из (19.8) следует:
Сравним с (19.9) и получим
https://pandia.ru/text/78/081/images/image047_5.png" width="100" height="32 src=">,
откуда следует, что преломленный луч перпендикулярен отражённому (рис.19.13).
Для того чтобы объяснить, почему отражённый при падении под углом Брюстера луч линейно поляризован, учтём, что отражённый свет есть результат излучения вторичных волн зарядами (электронами) во второй среде, колеблющимися под действием электрического поля падающей волны. Эти колебания происходят в направлении колебаний падающей волны.
Разложим колебания вектора во второй среде на два взаимно перпендикулярных колебания: на рис.19.13 колебания в плоскости падения обозначены стрелками (↔), перпендикулярно – точками (∙ ). В случае падения света под углом Брюстера отражённый луч перпендикулярен преломленному, следовательно параллелен колебаниям первой компоненты (↔). Из электромагнитной теории Максвелла известно, что колеблющийся электрический заряд не излучает электромагнитных волн вдоль направления своего движения. Поэтому колеблющийся в диэлектрике излучатель типа (↔) вдоль отражённого луча не излучает. Таким образом, по направлению отражённого луча распространяется свет, посылаемый излучателями типа (∙ ), направления колебаний которых перпендикулярны плоскости падения.
4. Элементы кристаллооптики. Двойное лучепреломление
 |
При прохождении света через некоторые кристаллы световой луч разделяется на два луча (рис.19.14 и 19.15). Это явление, получившее название двойного лучепреломления , было наблюдено в 1670 г. Эразмом Бартоломином для исландского шпата (разновидность углекислого кальция, СаСО3). При двойном лучепреломлений один из лучей удовлетворяет обычному закону преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью. Этот луч называется обыкновенным и обозначается на чертежах буквой «о». Для другого луча, называемого необыкновенным (его принято обозначать буквой «е»), отношение не остается постоянным при изменении угла падения. Даже при нормальном падении необыкновенный луч, вообще говоря, отклоняется от первоначального направления (рис.19.15). Кроме того, 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 имеется направление, вдоль которого обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются не разделяясь и с одинаковой скоростью. Это направление 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 кристалла.
Любая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла. Обычно пользуются главным сечением, проходящим через световой луч.
Оба луча, обыкновенный и необыкновенный, полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях (см. рис.19.15). Плоскость колебаний обыкновенного луча перпендикулярна к главному сечению кристалла. В необыкновенном луче колебания вектора совершаются в плоскости, совпадающей с главным сечением.
5. Анизотропия – причина двулучепреломления
Двойное лучепреломление объясняется анизотропией кристаллов. В кристаллах некубической системы зависимость от направления вектора напряжённости электрического поля обнаруживает, в частности, диэлектрическая проницаемость ε..png" width="20 height=28" height="28"> и соответственно. В других направлениях ε имеет промежуточные значения.
Поскольку
 |
, (19.10)
то из анизотропии ε вытекает, что электромагнитным волнам с различными направлениями колебаний вектора https://pandia.ru/text/78/081/images/image002_22.png" width="17" height="23 src=">.
В обыкновенном луче колебания светового вектора происходят в направлении, перпендикулярном к главному сечению кристалла (на рис.19.15 и 19.16 эти колебания изображены точками на соответствующем луче). Поэтому при любом направлении обыкновенного луча (на рис.3..png" width="82" height="53">. (19.11)
Изображая скорость обыкновенного луча в виде отрезков, отложенных по разным направлениям, мы получим сферическую поверхность. Представим себе, что в точке 0 кристалла помещается точечный . Тогда построенная нами сфера будет волновой поверхностью обыкновенных лучей в кристалле.
Колебания в необыкновенном луче совершаются в главном сечении. Поэтому для разных лучей направления колебаний вектора (на рис.19.16 эти направления изображены двусторонними стрелками) образуют с оптической осью разные углы. Для луча 1 угол равен π/2, вследствие чего скорость равна
для луча 2 угол равен нулю, и скорость равна
Для луча 3 скорость имеет промежуточное значение:
Таким образом, волновая поверхность необыкновенных лучей представляет собой эллипсоид вращения. В местах пересечения с оптической осью кристалла сфера и эллипсоид соприкасаются – в этом направлении скорости обоих лучей одинаковы.
В зависимости от того, какая из скоростей, или https://pandia.ru/text/78/081/images/image060_3.png" width="60" height="25"> ().
 |
У отрицательных кристаллов (рис.19.17)
Используя волновые поверхности рис.19.17, можно построить волновой фронт для обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле при нормальном падении луча на грань кристалла (рис.19.18). Используется принцип Гюйгенса: точки кристалла, на которые падает волна, сами являются источниками волн. Новое положение волнового фронта – это огибающая фронтов вторичных волн. Направление луча находим по точке касания фронта вторичной волны и огибающей.
6. Дихроизм
Существуют двулучепреломляющие кристаллы, в которых один из лучей, например обыкновенный, поглощается в определенном диапазоне длин волн значительно сильнее, чем другой. Зависимость поглощения света от его поляризации называют дихроизмом.
Именно явление дихроизма позволило на практике легко получать и широко использовать линейно поляризованный свет.
Весьма сильным дихроизмом в видимых лучах обладает кристалл турмалина. В нем обыкновенный луч практически полностью поглощается на длине 1 мм. Дихроичные поляризаторы на основе монокристаллической пластинки турмалина не нашли широкого применения в основном из-за трудностей, связанных с получением кристаллов необходимых размеров.
Более популярной оказалась другая разновидность дихроичных поляризаторов, – так называемые пленочные поляроиды, изобретенные в 20-х годах ХХ века. Это анизотропные полимерные пленки, пропитанные анизотропными же молекулами или микрокристаллами. Если полимерную пленку, состоящую из весьма длинных, линейных вытянутых макромолекул полимера в нагретом и размягченном состоянии подвергнуть механическому растяжению, то полимерные молекулы ориентируются своими длинными осями вдоль направления растяжения и пленка, таким образом, становится анизотропной. Если при этом в полимере растворено вещество, молекулы которого анизотропны по форме и обладают высоким дихроизмом, например, игольчатые микрокристаллы герапатита (соль йода и хинина), то упорядоченная, ориентированная матрица молекул полимера ориентирует и примесные молекулы. В этих кристаллах один из лучей поглощается на пути примерно в 0.1 мм.
Таким путем изготавливаются поляроиды высокого качества и достаточно большого размера, рассчитанные на широкую спектральную область (например, на весь видимый диапазон длин волн). Они достаточно дешевы для массового производства, и многие практические применения поляризации света обязаны именно им.
7. Призма Николя
Двойное лучепреломление использовано в конструкции призмы Николя (рис.19.19) – прибора для получения линейно поляризованного света с высокой степенью поляризации. Она склеена из двух одинаковых призм из исландского шпата. Прослойка между ними – канадский бальзам – бесцветная смола с свысокой прозрачностью. Значение показателя преломления канадского бальзама () лежит между значениями показателей преломления шпата для обыкновенного () и необыкновенного () лучей:
 |
.
Естественный неполяризованный свет, падая на переднюю грань призмы, расщепляется на два линейно поляризованных луча – обыкновенный и необыкновенный. Обыкновенный луч, преломляясь сильнее, падает на прослойку бальзама под углом больше угла полного внутреннего отражения, полностью отражается от прослойки бальзама и во вторую призму не проходит, поглощаясь на зачернённой боковой грани призмы. Второй луч, необыкновенный, вообще не может испытывать на этой границе раздела полного отражения, так как идёт из менее плотной в оптически более плотную среду (DIV_ADBLOCK36">
8. Искусственное двулучепреломление
Двойное лучепреломление может возникать в прозрачных изотропных телах, а также в кристаллах кубической системы под влиянием различных воздействий: сильного однородного электрического (эффект Керра) или магнитного поля, а также при механических деформациях тел. Мерой возникающей оптической анизотропии может служить разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Опыт показывает, что эта разность пропорциональна квадрату напряжённости поля (электрического или магнитного):
;
,
или механическому напряжению σ в данной точке тела (то есть силе, приходящейся на единицу площади):
. (19.12)
Поместим стеклянную пластинку Q
между скрещенными поляризаторами
Р
и Р"
(рис.19.20). Пока стекло не деформировано, такая система свет не пропускает. Если же стекло подвергнуть деформации (например, одностороннему сжатию), свет через систему начинает проходить, причем наблюдаемая в прошедших лучах картина будет испещрена цветными полосами. Каждая такая полоса соответствует одинаково деформированным местам пластинки. Следовательно, по характеру расположения полос можно судить о распределении напряжений внутри пластинки.
На искусственном двойном лучепреломлении основы
вается оптический метод исследования напряжений
. Изготовленная из прозрачного изотропного материала (например, из целлулоида или плексигласа) модель какой-либо детали или конструкции помещается между скрещенными поляризаторами. Модель подвергается действию нагрузок, аналогичных тем, какие будет испытывать само изделие. Наблюдаемая при этом в проходящем белом свете картина позволяет определить распределение напряжений, а также судить об их величине (рис.19.21,а). Возникновение оптической анизотропии в прозрачных телах под нагрузкой называется фотоупругостью.
Объектом исследования может служить любая прозрачная пластмассовая линейка, посуда и т. п. (рис.19.21, б и в). При наблюдении в скрещенных поляроидах можно наблюдать красивые цветные узоры. Эти узоры обычно сгущаются вблизи углов и кромок, швов и отверстий, где есть остаточные напряжения.
9. Вращение плоскости поляризации. Поляриметрия
 |
Среди явлений, возникающих при взаимодействии света с веществом, важное место и в принципиальном, и в практическом отношении занимает явление, открытое Д. Араго в 1811 г. при изучении двойного лучепреломления в кварце: при прохождении поляризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости поляризации (рис.19.22).
Вещества, которые могут вращать плоскость поляризации света, называются оптически активными . К их числу относятся кристаллические тела (кварц, киноварь и др.), чистые жидкости (скипидар, никотин и др.) и растворы некоторых веществ (водные растворы сахара, глюкозы, винной кислоты и др.). Измерение вращения плоскости поляризации стало популярным аналитическим методом в ряде промышленных областей.
Кристаллические вещества, например, кварц, сильнее всего вращают плоскость поляризации в случае, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Угол поворота пропорционален пути l , пройденному лучом в кристалле:
. (19.13)
Коэффициент называют постоянной вращения .
Для растворов Ж. Био (1831 г.) обнаружил следующие закономерности: угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути l луча в растворе и концентрации С активного вещества в растворе:
https://pandia.ru/text/78/081/images/image082_4.png" width="27" height="24 src="> – удельное вращение . Оно характеризует природу вещества, зависит от природы вещества и температуры. Удельное вращение обратно пропорционально квадрату длины волны: ~ , поэтому при пропускании поляризованного света через раствор оптически активного вещества плоскости поляризации волн различной длины будут поворачиваться на разные углы. В зависимости от положения анализатора через него проходят лучи различной окраски. Это явление называется вращательной дисперсией.
При 20°С и λ=589 нм удельное вращение сахара равно: 
. Постоянная вращения кварца для жёлтых лучей (λ=589 нм): α=21.7 град/мм, а для фиолетовых (λ=404.7 нм) α=48.9 град/мм.
Исследования показали, что объяснение явления вращения плоскости поляризации света в естественно-активных веществах можно получить, рассматривая общую задачу взаимодействия электромагнитной световой волны с молекулами или атомами веществ, если только принять во внимание конечные размеры молекул и их структуру. Эта задача очень сложна. В свое время О. Френель (1817 г.) представил описание этого явления, сведя его к особому типу двойного лучепреломления. В основе рассуждений Френеля лежит гипотеза, согласно которой скорость распространения света в активных веществах различна для волн, поляризованных по левому и по правому кругу. Представим плоско-поляризованную волну как суперпозицию двух волн, поляризованных по кругу вправо и влево с одинаковыми амплитудами и периодами. Если оба вектора и https://pandia.ru/text/78/081/images/image088_3.png" align="left" width="298" height="290">Если скорости распространения обеих волн окажутся неодинаковыми, то по мере прохождения через вещество один из векторов, или https://pandia.ru/text/78/081/images/image002_22.png" width="17 height=23" height="23">, будет поворачиваться относительно первоначальной плоскости Р (рис. 19.23, 6).
Различие в скоростях света с разным направлением круговой поляризации обусловливается асимметрией молекул (рис.19.24,а), либо асимметричным размещением атомов в кристалле (рис.19.24,б). Молекулы (кристаллы), изображённые справа, являются зеркальным отражением молекул (кристаллов), показанных слева. У них нет ни центра симметрии, ни плоскости симметрии, и они не могут быть пространственно совмещены друг с другом никакими поворотами и перемещениями. Физические и химические свойства чистых оптических изомеров совершенно одинаковы. Но «левые» и «правые» изомеры вращают плоскость поляризации в противоположные стороны. Значения удельного вращения для обеих модификаций отличаются только знаком.
Кроме того, физиологическое и биохимическое действие оптических изомеров часто совершенно различно. Так, в живой природе белки строятся из левых оптических изомеров аминокислот (19 из 20 жизненно важных аминокислот оптически активны). Белки, синтезированные искусственным путём из правых аминокислот, не усваиваются организмом; а «левый» никотин в несколько раз ядовитее «правого». Удивительный феномен преимущественной роли только одной из форм оптических изомеров в биологических процессах может иметь фундаментальное значение для выяснения путей зарождения и эволюции жизни на Земле.
10. Применение поляризации: ЖК-монитор
 |
Экран LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) представляет собой массив маленьких сегментов, называемых пикселями, которыми можно манипулировать для отображения информации.
Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых перпендикулярны (рис.19.25). В отсутствие напряжения кристаллы выстраиваются в винтовую структуру (рис.19.26). Эта структура поворачивает плоскость поляризации света на 900, так что через второй поляризационный фильтр свет проходит практически без потерь (рис.19.27,а).
Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение.
 |
При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны друг другу, что приводит к непрозрачности структуры (рис.19.27,а). Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности.
Все усложняется для цветных дисплеев. Тут пиксел формируется из трех независимых ячеек, каждая из которых расположена над участком фильтра синего, красного или зеленого цвета. Таким образом, количество пикселов увеличивается в три раза по сравнению с монохромной панелью. В цветном дисплее градации яркости каждого пиксела, составляющего триаду , используются для "смешения" цветов.
11. Интерференция поляризованного света
При нормальном падении пучка лучей на пластинку из кристалла, оптическая ось y
которого параллельна преломляющей поверхности, обыкновенный и необыкновенный лучи идут по одному направлению, но с разными скоростями. Пусть на такую пластинку толщиной d
падает плоско поляризованный луч с амплитудой электрического вектора E
0, плоскость поляризации которого составляет с плоскостью главного сечения пластинки ОО´ угол φ. Тогда в пластинке возникнут оба луча, обыкновенный (о) и необыкновенный (е) (рис. 19.28), и они будут когерентны. В момент их возникновения в пластинке разность фаз между ними равна нулю, но она будет возрастать по мере проникновения лучей в пластинку. Подсчитаем эту разность фаз.
Оптическая разность хода Δ равна разности оптических длин путей обыкновенного и необыкновенного лучей:
Отсюда разность фаз между обоими лучами равна
https://pandia.ru/text/78/081/images/image096_1.png" width="16" height="20 src="> – длина волны в вакууме .
имеет очень большое значение в кристаллооптической методике.
 |
Цвета, получающиеся при различных разностях хода, показывает таблица Мишеля-Леви (рис.19.31).
12. Явление дисперсии света. Дисперсия вещества. Нормальная и аномальная дисперсия
Явление дисперсии света наблюдали все, когда любовались радугой (рис.19.32). Её появление обусловлено полным внутренним отражением лучей в капельках воды, а также зависимостью показателя преломления от длины волны ..png" width="68" height="25">.
Дисперсией света называется зависимость показателя преломления вещества от частоты (или длины волны l ) света или фазовой скорости https://pandia.ru/text/78/081/images/image109_3.png" width="68" height="25">.
 |
Впервые экспериментально исследовал дисперсию света Ньютон около 1672 г. Следствием дисперсии является разложение в спектр белого света при прохождении его через призму (рис.19.33). После прохождения света через призму образуется спектр, в котором линии каждой частоты (длины волны) занимают совершенно определенное место. Красные лучи, у которых длина волны больше, отклоняются меньше, чем фиолетовые; поэтому дисперсионный спектр – обратный к дифракционному, где отклоняются сильнее красные лучи. Величина
называемая дисперсией вещества, показывает, как быстро изменяется показатель преломления с длиной волны. Различают два вида дисперсии: нормальную (D <0), при которой показатель преломления монотонно увеличивается с ростом частоты; и аномальную (D >0), при которой показатель преломления уменьшается с увеличением частоты. Для всех прозрачных бесцветных веществ в видимой части спектра дисперсия нормальная (участки 1-2 и 3-4 на рис. 19.34). Если вещество поглощает свет в каком-то диапазоне длин волн (частот), то в области поглощения дисперсия оказывается аномальной (участок 2-3 рис. 19.34).
13. Теория дисперсии Лоренца. Связь поглощения света и аномальной дисперсии
Из электромагнитной теории Максвелла известно, что фазовая скорость электромагнитных волн равна
где c – скорость света в вакууме; e – диэлектрическая проницаемость среды; m – магнитная проницаемость среды. Для большинства прозрачных сред m =1, следовательно,
 |
; https://pandia.ru/text/78/081/images/image116_3.png" width="63" height="27">. (19.19)
Однако из последнего соотношения выявляются некоторые противоречия: 1) n – переменная величина, а e – постоянная для данного вещества; 2) значения n не согласуются с опытными значениями; например, для воды n≈ 1.33, а e =81.
Трудности объяснения дисперсии с точки зрения электромагнитной теории Максвелла устраняются электронной теорией Лоренца. В теории Лоренца дисперсия света рассматривается как результат взаимодействия электромагнитных волн с веществом. Движение электронов в атоме подчиняется законам квантовой механики. В частности, понятие траектории электрона в атоме теряет всякий смысл. Однако, как показал Лоренц, для качественного понимания многих оптических явлений достаточно ограничиться гипотезой о существовании внутри атомов и молекул электронов, связанных квазиупруго. Будучи выведены из положения равновесия, такие электроны начнут колебаться, постепенно теряя энергию колебаний на излучение электромагнитных волн. В результате колебания будут затухающими. Затухание можно учесть, введя «силу трения», пропорциональную скорости.
Электромагнитная волна, в которой вектор напряжённости электрического поля изменяется по закону:
, (19.20)
проходя через вещество, действует на каждый электрон с силой:
, (19.21)
где Е 0 – амплитуда напряжённости электрического поля волны.
Исходя из второго закона Ньютона, можно записать дифференциальное уравнение колебаний электрона:
https://pandia.ru/text/78/081/images/image120_3.png" width="76" height="48">. Под воздействием силы (19.21) электрон совершает вынужденные колебания:
, (19.23)
амплитуда А и фаза j которых определяются формулами:
; https://pandia.ru/text/78/081/images/image108_3.png" width="15" height="16">, отличной от скорости волн в вакууме..png" width="15" height="16"> от ω.
Чтобы упростить вычисления, затуханием за счёт излучения вначале будем пренебрегать (β=0), тогда из (19.24) получим:
; https://pandia.ru/text/78/081/images/image126_3.png" width="195" height="56">.
С учётом (19.20):
.
В результате смещения электронов из положений равновесия молекула приобретёт электрический дипольный момент:
. (19.26)
Здесь предполагается, что каждый атом (или молекулу) вещества можно рассматривать как систему нескольких гармонических осцилляторов – заряженных частиц с различными эффективными зарядами q i и массами m i, частоты собственных незатухающих колебаний которых равны https://pandia.ru/text/78/081/images/image130_3.png" width="297" height="65 src=">. (19.27)
Диэлектрическая проницаемость вещества связана с диэлектрической восприимчивостью :
а величина вектора поляризации равна:
тогда из (19.19), (19.27-19.29):
https://pandia.ru/text/78/081/images/image129_3.png" width="29" height="25">, сумма в (19..png" width="29" height="25">.png" width="29" height="25">.png" width="29" height="25">. Такое поведение функции обусловлено тем, что мы пренебрегли затуханием: положили β=0. Когда β отлично от нуля, функция (19.30) при всех значениях ω остаётся конечной. На рис. 19.35 показан ход функции (19.30) без учёта затухания (пунктир) и зависимость n 2=f (ω) с учётом затухания (сплошная кривая). Перейдя
 |
от частот к длинам волн, получим кривую, изображённую на рис.19.34.
Таким образом, в областях частот, близким к собственным частотам электронов , имеет место аномальная дисперсия, а в остальных областях – нормальная. Области аномальной дисперсии являются резонансными областями. При резонансе за счёт вынуждающей силы (19.21) амплитуда вынужденных колебаний максимальна, при этом обеспечивается максимальная скорость поступления энергии в систему, световая волна поглощается. Таким образом, области аномальной дисперсии, вследствие их резонансного характера, являются областями поглощения. На рис.19.36 пунктирная кривая изображает ход коэффициента поглощения света веществом.
В начале прошлого века исследовал аномальную дисперсию в парах натрия. Он предложил метод количественного определения аномальной дисперсии, получивший название метода крюков. Метод получил такое название из-за характерного изгиба интерференционных полос (рис.19.37), который отражает изменение показателя преломления вблизи двойной полосы поглощения паров натрия. Крюки получаются за счёт разности хода лучей, прошедших сквозь пары натрия в интерферометре.
Элементарная теория дисперсии Лоренца позволила объяснить нормальную и аномальную дисперсию, а также избирательность поглощения света на различных частотах, то есть сам факт наличия полос поглощения. Однако различие в интенсивностях полос в рамках классической теории объяснить не удаётся. Поглощение света носит существенно квантовый характер.
14. Поглощение света. Закон Бугера
Из опытов известно, что при прохождении света в веществе его интенсивность уменьшается. Поглощением света называется явление уменьшения энергии световой волны при её распространении в веществе, происходящее вследствие преобразования энергии волны во внутреннюю энергию вещества или в энергию вторичного излучения с другим спектральным составом и направлениями распространения. Поглощение света может вызвать нагревание вещества, возбуждение и ионизацию атомов или молекул, фотохимические реакции и другие процессы в веществе.
Ещё в 18 веке Бугер экспериментально, а Ламберт теоретически установили закон поглощения света. При прохождении света через тонкий слой поглощающей среды в направлении x уменьшение интенсивности света dI пропорционально самой интенсивности I и толщине пройденного слоя dx (рис.19.38):
. (19.31)
Знак «–» указывает на то, что интенсивность уменьшается. Коэффициент пропорциональности в (19.31) называется натуральным показателем поглощения (коэффициентом поглощения ) среды. Он зависит от химической природы и состояния поглощающей среды и от длины волны света. Преобразуем и проинтегрируем это выражение:
https://pandia.ru/text/78/081/images/image144_3.png" width="124" height="67">;
.
Здесь I 0 и I – интенсивности излучения на входе и на выходе из слоя среды толщиной d . После преобразований получим:
;
https://pandia.ru/text/78/081/images/image149_3.png" width="48" height="48">.png" width="59" height="23">, (19.33)
где С – концентрация раствора, а c – коэффициент пропорциональности, не зависящий от концентрации. В концентрированных растворах закон Бера нарушается из-за влияния взаимодействия между близко расположенными молекулами поглощающего вещества. Из (19.32) и (19.33) получаем закон Бугера-Ламберта-Бера :
https://pandia.ru/text/78/081/images/image153_3.png" width="53" height="52 src="> называется коэффициентом пропускания и чаще выражается в процентах:
.
Оптическая плотность определяется натуральным (или десятичным) логарифмом пропускания:
https://pandia.ru/text/78/081/images/image157_3.png" align="left" width="220" height="228">Коэффициент поглощения зависит от длины волны света λ (или частоты ω). У вещества, находящегося в таком состоянии, что атомы или молекулы практически не воздействуют друг на друга (газы и пары металлов при невысоком давлении), коэффициент поглощения для большинства длин волн близок нулю и лишь для очень узких спектральных областей обнаруживает резкие максимумы (на рис.19.39 показан спектр паров натрия). Эти максимумы, согласно элементарной электронной теории Лоренца, соответствуют резонансным частотам колебаний электронов в атомах. В случае многоатомных молекул обнаруживаются также частоты, соответствующие колебаниям атомов внутри молекул. Так как массы атомов гораздо больше массы электрона, молекулярные частоты намного меньше атомных – они попадают в инфракрасную область спектра.
Твёрдые тела, жидкости и газы при высоких давлениях дают широкие полосы поглощения (на рис.19.40 представлен спектр раствора фенола). По мере повышения давления газов максимумы поглощения, первоначально очень узкие, всё более расширяются, и при высоких давлениях спектр поглощения газов приближается к спектрам поглощения жидкостей. Этот факт указывает на то, что расширение полос поглощения есть результат взаимодействия атомов (или молекул) друг с другом.
Металлы практически непрозрачны для света. Это обусловлено наличием в металлах свободных электронов. Под действием электрического поля световой волны свободные электроны приходят в движение – в металле возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением ленц-джоулева тепла. В результате энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла.
15. Эффект Черенкова-Вавилова
В 1934 году, работавший под руководством, обнаружил особый вид свечения жидкости под действием заряженных частиц, например, электронов.
Заряженная частица, движущаяся равномерно, не излучает – но только в том случае, если её скорость меньше скорости света в данной среде. При
https://pandia.ru/text/78/081/images/image159_3.png" align="left" width="316" height="218 src=">Особенности излучения:
1) оно распространяется по образующим конуса с вершиной в точке, где находится частица (рис.19.41);
2) угол между скоростью частицы и направлением излучения определяется соотношением:
по поляризации
http://www. /watch? v=gbu9tIykgDM
вращение плоскости поляризации
http://www. /watch? v=GeUqERAz3YY
по дисперсии
http://www. /watch? v=efjJXc_ME4E
Полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны (перпендикулярно лучу). Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора — вектора напряженности электрического поля (это название обусловлено тем, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества).
Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора (рис. 272, а ; луч перпендикулярен плоскости рисунка). В данном случае равномерное распределение векторов объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов — одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов . Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора (и, следовательно, ) называется естественным .
Свет , в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным . Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное!) направление колебаний вектора (рис. 272, б ), то имеем дело с частично поляризованным светом . Свет , в котором вектор (и, следовательно, ) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 272, в ), называется плоскополяризованным (линейно поляризованным).
Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плос-кополяризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации . Плоскополяризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света — света, для которого вектор (вектор ) изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпендикулярной лучу. Если эллипс поляризации вырождается (см. § 145) в прямую (при разности фаз , равной нулю или ), то имеем дело с рассмотренным выше плоскополяризованным светом, если в окружность (при ( = ± /2 и равенстве амплитуд складываемых волн), то имеем дело с циркулярно поляризованным (поляризованным по кругу) светом . Степенью поляризации называется величина
где и — максимальная и минимальная интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора . Для естественного света = и Р = 0, для плоскополяризованного = 0 и Р = 1.
Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя так называемые поляризаторы , пропускающие колебания только определенного направления (например, пропускающие колебания, параллельные плоскости поляризатора, и полностью задерживающие колебания, перпендикулярные этой плоскости). В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в отношении колебаний вектора , например кристаллы (их анизотропия известна, см. §70). Из природных кристаллов, давно используемых в качестве поляризатора, следует отметить турмалин.
Рассмотрим классические опыты с турмалином (рис.273). Направим естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина T 1 , вырезанной параллельно так называемой оптической оси 00 (см. §192).
Вращая кристалл Т 1 вокруг направления луча, никаких изменений интенсивности прошедшего через турмалин света не наблюдаем. Если на пути луча поставить вторую пластинку турмалина Т 2 и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла между оптическими осями кристаллов по закону Малюса (Э. Малюс (1775—1812) — французский физик):
(190.1)
где и — соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него. Следовательно, интенсивность прошедшего через пластинки света изменяется от минимума (полное гашение света) при = /2 (оптические оси пластинок перпендикулярны) до максимума при = 0 (оптические оси пластинок параллельны). Однако, как это следует из рис. 274, амплитуда световых колебаний, прошедших через пластинку Т 2 , будет меньше амплитуды световых колебаний , падающих на неё:
Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды, то и получается выражение (190.1).
Результаты опытов с кристаллами турмалина объясняются довольно просто, если исходить из изложенных выше условий пропускания света поляризатором. Первая пластинка турмалина пропускает колебания только определенного направления (на рис. 273 это направление показано стрелкой АВ) т. е. преобразует естественный свет в плоскополяризованный. Вторая же пластинка турмалина в зависимости от ее ориентации из поляризованного света пропускает большую или меньшую его часть, которая соответствует компоненту , параллельному оси второго турмалина. На рис. 273 обе пластинки расположены так, что направления пропускаемых ими колебаний АВ и А"В" перпендикулярны друг другу. В данном случае Т 1 пропускает колебания, направленные по АВ, а Т 2 их полностью гасит, т. е. за вторую пластинку турмалина свет не проходит.
Пластинка Т 1 , преобразующая естественный свет в плоскополяризованный, является поляризатором . Пластинка Т 2 , служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором . Обе пластинки совершенно одинаковы (их можно поменять местами).
Если пропустить естественный свет через два поляризатора, плоскости которых образуют угол , то из первого выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого , из второго, согласно (190.1), выйдет свет интенсивностью . Следовательно, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора,
откуда (поляризаторы параллельны) и = 0 (поляризаторы скрещены).
Волны бывают двух видов. В продольных колебательное возмущение параллельно направлению их распространения. Примером может служить прохождение звука в воздухе. Поперечные волны состоят из возмущений, которые находятся под углом 90° к направлению перемещения. Так, например, волна, проходя горизонтально через массу воды, вызывает вертикальные колебания на ее поверхности.
Открытие явления
Ряд загадочных оптических эффектов, наблюдаемых в середине XVII века, был объяснен, когда поляризованный и естественный свет начал рассматриваться как волновой феномен и были обнаружены направления его колебаний. Первый так называемый эффект поляризации был открыт датским врачом Эразмом Бартолином в 1669 году. Ученый наблюдал двойную рефракцию, или двойное лучепреломление, в исландском шпате, или кальците (кристаллической форме карбоната кальция). Когда свет проходит через кальцит, кристалл расщепляет его, производя два изображения, смещенные относительно друг друга.
Ньютон знал об этом явлении и предположил, что, возможно, корпускулы света обладают асимметрией или «односторонностью», которая могла бы быть причиной формирования двух изображений. Гюйгенс, современник Ньютона, смог объяснить двойное преломление своей теорией элементарных волн, но он не понял истинного смысла эффекта. Двойное лучепреломление оставалось загадкой, пока и физик из Франции Огюстен-Жан Френель не предположили, что световые волны являются поперечными. Простая идея позволила объяснить, что такое поляризованный и естественный обеспечило естественную и неосложненную основу для анализа поляризационных эффектов.
Двойное лучепреломление вызвано комбинацией двух перпендикулярных поляризаций, каждая из которых обладает своей скоростью волны. Из-за разницы в скорости две составляющие имеют различные показатели преломления, и поэтому они по-разному преломляются через материал, производя два изображения.
Поляризованный и естественный свет: теория Максвелла
Френель быстро разработал комплексную модель поперечных волн, которые приводили к двойному лучепреломлению и ряду других оптических эффектов. Через сорок лет электромагнитная элегантно объяснила поперечную природу света.
Электромагнитные волны Максвелла составлены из магнитных и электрических полей, колеблющихся перпендикулярно направлению перемещения. Поля находятся под углом 90° друг другу. При этом направления распространения магнитного и электрического полей образуют правую систему координат. Для волны с частотой f и длиной λ (они связаны зависимостью λf = с ), которая движется в положительном направлении х, поля описываются математически:
- E(x, t) = E 0 cos (2 π x/λ - 2 π ft)y^;
- B(x, t) = B 0 cos (2 π x/λ - 2 π ft)z^.
Уравнения показывают, что электрическое и магнитное поля находятся в фазе друг с другом. В любой данный момент времени они одновременно достигают своих максимальных значений в пространстве, равных Е 0 и В 0 . Эти амплитуды не являются независимыми. Уравнения Максвелла показывают, что Е 0 = cB 0 для всех электромагнитных волн в вакууме.
Направления поляризации
В описании ориентации магнитного и электрического полей волны света обычно указывают только направление электрического поля. Вектор магнитного поля определяется требованием о перпендикулярности полей и их перпендикулярности к направлению движения. Естественный и линейно поляризованный свет отличаЕтся тем, что в последнем поля осциллируют в фиксированных направлениях по мере перемещения волны.
Возможны и другие состояния поляризации. В случае круговой векторы магнитного и электрического полей вращаются относительно направления распространения с постоянной амплитудой. Эллиптически поляризованный свет находится в промежуточном положении между линейной и круговой поляризациями.
Неполяризованный свет
Атомы на поверхности нагретой нити накаливания, которые генерируют электромагнитное излучение, действуют, независимо друг от друга. Каждое излучение можно приблизительно смоделировать в виде коротких цугов продолжительностью от 10 -9 до 10 -8 секунды. Электромагнитная волна, исходящая от нити накаливания, представляет собой суперпозицию этих цугов, каждый из которых имеет собственное направление поляризации. Сумма ориентированных случайным образом цугов образует волну, вектор поляризации которой изменяется быстро и беспорядочно. Такая волна называется неполяризованной. Все включая Солнце, лампы накаливания, люминесцентные лампы и пламя, производят такое излучение. Однако естественный свет часто бывает частично поляризован из-за множественного рассеяния и отражения.
Таким образом, отличие поляризованного света от естественного состоит в том, что в первом колебания совершаются в одной плоскости.
Источники поляризованного излучения
Поляризованный свет может быть произведен в случаях, когда определена пространственная ориентация. Одним из примеров является при котором высокоэнергичные заряженные частицы движутся в магнитном поле и излучают поляризованные электромагнитные волны. Существует много известных астрономических источников, излучающих естественно поляризованный свет. В их число входят туманности, остатки сверхновых и активные галактические ядра. Поляризация космического излучения изучается для того, чтобы определить свойства его источников.
Фильтр поляроид
Поляризованный и естественный свет разделяются при прохождении через ряд материалов, наиболее распространенным из которых является поляроид, созданный американским физиком Эдвином Лэндом. Фильтр состоит из длинных цепочек молекул углеводородов, ориентированных в одном направлении путем процесса термической обработки. Молекулы избирательно поглощают излучение, электрическое поле которого параллельно их ориентации. Свет, выходящий из поляроида, линейно поляризован. Его электрическое поле перпендикулярно направлению ориентации молекул. Поляроид нашел применение во многих областях, включая солнцезащитные очки и светофильтры, снижающие эффект отраженного и рассеянного света.
Естественный и поляризованный свет: закон Малюса
В 1808 году физик Этьен-Луи Малюс обнаружил, что свет, отраженный от неметаллических поверхностей, частично поляризуется. Степень этого эффекта зависит от угла падения и показателя преломления отражающего материала. В одном из крайних случаев, когда тангенс угла падения луча в воздухе равен показателю преломления отражающего материала, отраженный свет становится полностью линейно поляризованным. Это явление известно как закон Брюстера (назван так в честь его первооткрывателя, шотландского физика Дэвида Брюстера). Направление поляризации параллельно отражающей поверхности. Так как дневные блики, как правило, возникают при отражении от горизонтальных поверхностей, таких как дороги и вода, в солнечных очках часто используются фильтры, чтобы снять горизонтально поляризованный свет и, следовательно, выборочно удалить отблески света.
Рэлеевское рассеяние
Рассеяние света очень мелкими объектами, размеры которых намного меньше длины волны (так называемое рэлеевское рассеяние по имени английского ученого лорда Рэлея), также создает частичную поляризацию. Когда солнечное излучение проходит через земную атмосферу, оно рассеивается молекулами воздуха. Земли достигает рассеянный поляризованный и естественный свет. Степень его поляризации зависит от угла рассеяния. Поскольку человек не различает естественный и поляризованный свет, то этот эффект, как правило, остается незамеченным. Тем не менее глаза многих насекомых на него реагируют, и они используют относительную поляризацию рассеянного излучения как навигационный инструмент. Обычный светофильтр фотоаппарата, применяемый для уменьшения фонового излучения при ярком солнечном освещении, представляет собой простой линейный поляризатор, который разделяет естественный и поляризованный свет Рэлея.
Анизотропные материалы
Эффекты поляризации наблюдаются в оптически анизотропных материалах (в которых изменяется с направлением поляризации), таких как двулучепреломляющие кристаллы, некоторые биологические структуры и оптически активные материалы. Технологическое применение включает поляризационные микроскопы, жидкокристаллические дисплеи и оптические приборы, используемые для исследования материалов.
Доктор технических наук А. ГОЛУБЕВ.
Две совершенно одинаковые пластинки из слегка затемнённого стекла или гибкого пластика, сложенные вместе, практически прозрачны. Но стоит повернуть какую-нибудь одну на 90 о, как перед глазом окажется сплошная чернота. Это может показаться чудом: ведь каждая пластинка прозрачна при любом повороте. однако внимательный взгляд обнаружит, что при определённых углах её поворота блики от воды, стекла и полированных поверхностей исчезают. Это же можно наблюдать, рассматривая экран компьютерного ЖК-монитора через пластинку: при её повороте яркость экрана меняется и при определённых положениях гаснет совсем. «Виновник» всех этих (и многих других) любопытных явлений - поляризованный свет. Поляризация - это свойство, которым могут обладать электромагнитные волны, в том числе видимый свет. Поляризация света имеет множество интересных применений и заслуживает того, чтобы о ней поговорить подробнее.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Механическая модель линейной поляризации световой волны. Щель в заборе пропускает колебания верёвки только в вертикальной плоскости.
В анизотропном кристалле световой луч расщепляется на два, поляризованные во взаимно-перпендикулярных (ортогональных) направлениях.
Обыкновенный и необыкновенный лучи пространственно совмещены, амплитуды световых волн одинаковы. При их сложении возникает поляризованная волна.
Так свет проходит через систему из двух поляроидов: а - когда они параллельны; б - скрещены; в - расположены под произвольным углом.
Две равные силы, приложенные в точке А во взаимно-перпендикулярных направлениях, заставляют маятник двигаться по круговой, прямолинейной или эллиптической траектории (прямая - это «вырожденный» эллипс, а окружность - его частный случай).
Наука и жизнь // Иллюстрации
Физпрактикум. Рис. 1.
Физпрактикум. Рис. 2.
Физпрактикум. Рис. 3.
Физпрактикум. Рис. 4.
Физпрактикум. Рис. 5.
Физпрактикум. Рис. 6.
Физпрактикум. Рис. 7.
Физпрактикум. Рис. 8.
Физпрактикум. Рис. 9.
В природе существует множество колебательных процессов. Один из них - гармонические колебания напряжённостей электрического и магнитного полей, образующие переменное электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Волны эти поперечные - векторы е и н напряжённостей электрического и магнитного полей взаимно-перпендикулярны и колеблются поперек направления распространения волны.
Электромагнитные волны условно разделяют на диапазоны по длинам волн, образующих спектр. Наибольшую его часть занимают радиоволны с длиной волны от 0,1 мм до сотен километров. Небольшой, но очень важный участок спектра - оптический диапазон. Он делится на три области - видимую часть спектра, занимающую интервал приблизительно от 0,4 мкм (фиолетовый свет) до 0,7 мкм (красный свет), ультрафиолетовую (УФ) и инфракрасную (ИК), невидимые глазом. Поэтому поляризационные явления доступны непосредственному наблюдению только в видимой области.
Если колебания вектора напряжённости электрического поля е световой волны поворачиваются в пространстве случайным образом, волна называется неполяризованной, а свет - естественным. Если эти колебания происходят только в одном направлении, волна линейно-поляризована. Неполяризованную волну в линейно-поляризованную превращают при помощи поляризаторов - устройств, пропускающих колебания только одного направления.
Попробуем изобразить этот процесс более наглядно. Представим себе обычный деревянный забор, в одной из досок которого прорезана узкая вертикальная щель. Проденем сквозь эту щель верёвку; её конец за забором закрепим и начнём верёвку встряхивать, заставляя её колебаться под разными углами к вертикали. Вопрос: а как будет колебаться верёвка за щелью?
Ответ очевиден: за щелью верёвка станет колебаться только в вертикальном направлении. Амплитуда этих колебаний зависит от направления приходящих к щели смещений. Вертикальные колебания пройдут сквозь щель полностью и дадут максимальную амплитуду, горизонтальные - щель не пропустит совсем. А все другие, «наклонные», можно разложить на горизонтальную и вертикальную составляющие, и амплитуда будет зависеть от величины вертикальной составляющей. Но в любом случае за щелью останутся только вертикальные колебания! То есть щель в заборе - это модель поляризатора, преобразующего неполяризованные колебания (волны) в линейно-поляризованные.
Вернёмся к свету. Получить из естественного, неполяризованного света линейно-поляризованный можно несколькими способами. Наиболее часто применяют полимерные плёнки с длинными молекулами, ориентированными в одном направлении (вспомним про забор с щелью!), призмы и пластинки, обладающие двойным лучепреломлением, или оптической анизотропией (неодинаковости физических свойств по различным направлениям).
Оптическая анизотропия наблюдается у многих кристаллов - турмалина, исландского шпата, кварца. Само явление двойного лучепреломления заключается в том, что луч света, падающий на кристалл, разделяется в нём на два. При этом показатель преломления кристалла для одного из этих лучей постоянен при любом угле падения входного луча, а для другого зависит от угла падения (то есть для него кристалл анизотропен). Это обстоятельство настолько поразило первооткрывателей, что первый луч назвали обыкновенным, а второй - необыкновенным. И весьма существенно, что эти лучи линейно-поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях.
Заметим, что в таких кристаллах существует одно направление, по которому двойного преломления не происходит. Это направление называется оптической осью кристалла, а сам кристалл - одноосным. Оптическая ось - это именно направление, все идущие вдоль него линии обладают свойством оптической оси. Известны также двухосные кристаллы - слюда, гипс и другие. В них также происходит двойное преломление, но оба луча оказываются необыкновенными. В двухосных кристаллах наблюдаются более сложные явления, которых мы касаться не станем.
В некоторых одноосных кристаллах обнаружилось ещё одно любопытное явление: обыкновенный и необыкновенный лучи испытывают существенно различное поглощение (это явление назвали дихроизмом). Так, в турмалине обыкновенный луч поглощается практически полностью уже на пути около миллиметра, а необыкновенный проходит весь кристалл насквозь почти без потерь.
Двоякопреломляющие кристаллы применяют для получения линейно-поляризованного света двумя способами. В первом используют кристаллы, не обладающие дихроизмом; из них изготавливают призмы, составленные из двух треугольных призм с одинаковой или перпендикулярной ориентацией оптических осей. В них либо один луч отклоняется в сторону, так что из призмы выходит только один линейно-поляризованный луч, либо выходят оба луча, но разведённые на большой угол. Во втором способе используются сильнодихроичные кристаллы, в которых один из лучей поглощается, или тонкие плёнки - поляроиды в виде листов большой площади.
Возьмём два поляроида, сложим их и посмотрим сквозь них на какой-нибудь источник ес-тественого света. Если оси пропускания обоих поляроидов (то есть направления, в которых они поляризуют свет) совпадают, глаз увидит свет максимальной яркости; если они перпендикулярны, свет практически полностью погасится.
Свет от источника, пройдя через первый поляроид, окажется линейно-поляризованным вдоль его оси пропускания и в первом случае свободно пройдёт через второй поляроид, а во втором случае не пройдёт (вспомним пример с щелью в заборе). В первом случае говорят, что поляроиды параллельны, во втором - что поляроиды скрещены. В промежуточных случаях, когда угол между осями пропускания поляроидов отличается от 0 или 90о, мы получим и промежуточные значения яркости.
Пойдём дальше. В любом поляризаторе входящий свет расщепляется на два пространственно разделённых и линейно-поляризованных во взаимно-перпендикулярных плоскостях луча - обыкновенный и необыкновенный. А что будет, если не разделять пространственно обыкновенный и необыкновенный лучи и не гасить один из них?
На рисунке показана схема, реализующая этот случай. Свет определённой длины волны, прошедший через поляризатор Р и ставший линейно-поляризованным, падает под углом 90 о на пластинку П, вырезанную из одноосного кристалла параллельно его оптической оси ZZ. В пластинке распространяются две волны - обыкновенная и необыкновенная - в одном направлении, но с разной скоростью (поскольку для них различны показатели преломления). Необыкновенная волна поляризована вдоль оптической оси кристалла, обыкновенная - в перпендикулярном направлении. Предположим, что угол а между направлением поляризации падающего на пластинку света (осью пропускания поляризатора Р) и оптической осью пластинки равен 45 о и амплитуды колебаний обыкновенной и необыкновенной волн А о и А е равны. Это случай сложения двух взаимно-перпендикулярных колебаний с одинаковыми амплитудами. Посмотрим, что получится в результате.
Для наглядности обратимся к механической аналогии. Есть маятник, к нему прикреплена трубочка с вытекающими из неё тонкой струйкой чернилами. Маятник колеблется в строго фиксированном направлении, и чернила рисуют прямую линию на листе бумаги. Теперь мы толкнём его (не останавливая) в направлении, перпендикулярном плоскости качания, так, что размах его колебаний в новом направлении стал таким же, как и в начальном. Таким образом, мы имеем два ортогональных колебания с одинаковыми амплитудами. Что нарисуют чернила, зависит от того, в какой точке траектории АОВ находился маятник, когда мы его толкнули.
Предположим, что мы толкнули его в тот момент, когда он занимал крайнее левое положение, в точке А. Тогда на маятник подействуют две силы: одна в направлении первоначального движения (к точке О), другая - в перпендикулярном направлении АС. Поскольку эти силы одинаковы (амплитуды перпендикулярных колебаний равны), маятник пойдет по диагонали AD. Его траекторией станет прямая линия, идущая под углом 45 о к направлениям обоих колебаний.
Если толкнуть маятник, когда он находится в крайнем правом положении, в точке В, то из аналогичных рассуждений ясно, что его траекторией будет тоже прямая, но повёрнутая на 90 о. Если толкнуть маятник в средней точке О, конец маятника опишет круг, а если в какой-то произвольной точке - эллипс; причём его форма зависит от того, в какой именно точке толкнули маятник. Следовательно, круг и прямая - частные случаи эллиптического движения (прямая - это «вырожденный» эллипс).
Результирующее колебание маятника, совершаемое по прямой линии, - модель линейной поляризации. Если его траектория описывает окружность, колебание называется поляризованным по кругу или циркулярно-поляризованным. В зависимости от направления вращения, по часовой стрелке или против неё, говорят соответственно о право- или левоциркулярной поляризации. Наконец, если маятник описывает эллипс, колебание называется эллиптически-поляризованным, и в этом случае тоже различают правую или левую эллиптическую поляризацию.
Пример с маятником даёт наглядное представление, какую поляризацию получит колебание, возникающее при сложении двух взаимно-перпендикулярных линейно-поляризованных колебаний. Возникает вопрос: что служит аналогом задания второго (перпендикулярного) колебания в различных точках траектории маятника для световых волн?
Им служит разность фаз φ обыкновенной и необыкновенной волн. Толчку маятника в точке А соответствует нулевая разность фаз, в точке В - разность фаз 180 о, в точке О - 90 о, если маятник проходит через эту точку слева направо (от А к В), или 270 о, если справа налево (от В к А). Следовательно, при сложении световых волн с ортогональными линейными поляризациями и одинаковыми амплитудами поляризация результирующей волны зависит от разности фаз складываемых волн.
Из таблицы видно, что при разности фаз 0 о и 180 о эллиптическая поляризация превращается в линейную, при разности 90 о и 270 о - в круговую с разными направлениями вращения результирующего вектора. А эллиптическую поляризацию можно получить сложением двух ортогональных линейно-поляризованных вол и при разности фаз 90 о или 270 о, если у этих волн различные амплитуды. Кроме того, циркулярно-поляризованный свет можно получить вообще без сложения двух линейно-поляризованных волн, например при эффекте Зеемана - расщеплении спектральных линий в магнитном поле. Неполяризованный свет частотой v, пройдя через приложенное в направлении распространения света магнитное поле, расщепляется на две компоненты с левой и правой циркулярными поляризациями и симметричными относительно ν частотами (ν - ∆ν) и (ν + ∆ν).
Весьма распространённый способ получения различных видов поляризации и их преобразования - использование так называемых фазовых пластинок из двоякопреломляющего материала c показателями преломления n o и n e . Толщина пластинки d подобрана так, что на её выходе разность фаз между обыкновенной и необыкновенной компонентами волны равна 90 или 180 о. Разности фаз 90 о соответствует оптическая разность хода d(n o - n e), равная λ/4, а разности фаз 180 о - λ/2, где λ - длина волны света. Эти пластинки так и называются - четвертьволновая и полуволновая. Пластинку толщиной в одну четвёртую или половину длины волны изготовить практически невозможно, поэтому тот же результат получают с более толстыми пластинками, дающими разность хода (kλ + λ/4) и (kλ + λ/2), где k - некоторое целое число. Четвертьволновая пластинка превращает линейно-поляризованный свет в эллиптически-поляризованный; если же пластинка полуволновая, то на её выходе получается также линейно-поляризованный свет, но с направлением поляризации, перпендикулярным входящему. Разность фаз в 45 о даст циркулярную поляризацию.
Если между параллельными или скрещёнными поляроидами поместить двоякопреломляющую пластинку произвольной толщины и посмотреть через эту систему на белый свет, то мы увидим, что поле зрения стало цветным. Если толщина пластинки неодинакова, возникают разноцветные участки, потому что разность фаз зависит от длины волны света. Если один из поляроидов (все равно, какой) повернуть на 90 о, цвета изменятся на дополнительные: красный - на зелёный, жёлтый - на фиолетовый (в сумме они дают белый свет).
Поляризованный свет предлагали использовать для защиты водителя от слепящего света фар встречного автомобиля. Если на ветровое стекло и фары автомобиля нанести плёночные поляроиды с углом пропускания 45 о, например вправо от вертикали, водитель будет хорошо видеть дорогу и встречные машины, освещённые собственными фарами. Но у встречных автомобилей поляроиды фар окажутся скрещёнными с поляроидом ветрового стекла данного автомобиля, и свет фар встречных машин погаснет.
Два скрещённых поляроида составляют основу многих полезных устройств. Через скрещённые поляроиды свет не проходит, но, если поместить между ними оптический элемент, поворачивающий плоскость поляризации, можно открыть свету дорогу. Так устроены быстродействующие электрооптические модуляторы света. Между скрещёнными поляроидами помещается, например, двоякопреломляющий кристалл, на который подаётся электрическое напряжение. В кристалле в результате взаимодействия двух ортогональных линейно-поляризованных волн свет становится эллиптически-поляризованным с составляющей в плоскости пропускания второго поляроида (линейный электрооптический эффект, или эффект Поккельса). При подаче переменного напряжения будет периодически меняться форма эллипса и, следовательно, величина проходящей через второй поляроид составляющей. Так осуществляется модуляция - изменение интенсивности света с частотой приложенного напряжения, которая может быть очень высокой - до 1 гигагерца (10 9 Гц). Получается затвор, прерывающий свет миллиард раз в секунду. Эго используют во многих технических устройствах - в электронных дальномерах, оптических каналах связи, лазерной технике.
Известны так называемые фотохромные очки, темнеющие на ярком солнечном свету, но не способные защитить глаза при очень быстрой и яркой вспышке (например, при электросварке) - процесс затемнения идёт сравнительно медленно. Поляризационные очки на эффекте Поккельса обладают практически мгновенной «реакцией» (менее 50 мкс). Свет яркой вспышки поступает на миниатюрные фотоприемники (фотодиоды), подающие электрический сигнал, под действием которого очки становятся непрозрачными.
Поляризационные очки используют в стереокино, дающем иллюзию объёмности. В основе иллюзии лежит создание стереопары - двух изображений, снятых под разными углами, соответствующими углам зрения правого и левого глаза. Их рассматривают так, чтобы каждый глаз видел только предназначенный для него снимок. Изображение для левого глаза проецируют на экран через поляроид с вертикальной осью пропускания, а для правого - с горизонтальной осью и точно совмещают их на экране. Зритель смотрит через поляроидные очки, в которых ось левого поляроида вертикальна, а правого горизонтальна; каждый глаз видит только «своё» изображение, и возникает стереоэффект.
Для стереоскопического телевидения применяется способ быстрого попеременного затемнения стёкол очков, синхронизированного со сменой изображений на экране. За счёт инерции зрения возникает объёмное изображение.
Поляроиды широко применяются для гашения бликов от стёкол и полированных поверхностей, от воды (отраженный от них свет сильно поляризован). Поляризован и свет экранов жидкокристаллических мониторов.
Поляризационные методы используются в минералогии, кристаллографии, геологии, биологии, астрофизике, метеорологии, при изучении атмосферных явлений.
Литература
Жевандров Н. Д. Поляризация света. - М.: Наука, 1969.
Жевандров Н. Д. Анизотропия и оптика. - М.: Наука, 1974.
Жевандров Н. Д. Применение поляризованного света. - М.: Наука, 1978.
Шерклифф У. Поляризованный свет / Пер. с англ. - М.: Мир, 1965.
Физпрактикум
ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ МИР
О свойствах поляризованного света, самодельных полярископах и о прозрачных предметах, начинающих переливаться всеми цветами радуги, журнал уже писал (см. «наука и жизнь» № ). Рассмотрим этот же вопрос с использованием новых технических устройств.
Любое устройство с цветным ЖК (жидкокристаллическим) экраном- монитор, ноутбук, телевизор, DVD-плеер, карманный компьютер, смартфон, коммуникатор, телефон, электронную фоторамку, MP3-плеер, цифровой фотоаппарат - можно использовать в качестве поляризатора (прибора, создающего поляризованный свет).
Дело в том, что сам принцип работы ЖК-монитора основан на обработке поляризованного света (1). Более подробное описание работы можно найти на http://master-tv.com/ , а для нашего физпрактикума важно то, что если мы засветим экран белым светом, например, нарисовав белый квадрат или сфотографировав белый лист бумаги, то получим плоскополяризованный свет, на фоне которого мы и будем производить дальнейшие опыты.
Интересно, что, приглядевшись к белому экрану при большом увеличении, мы не увидим ни одной белой точки (2) - всё многообразие оттенков получается комбинацией оттенков красного, зелёного и синего цветов.
Может быть, по счастливой случайности наши глаза тоже используют три вида колбочек, реагирующих на красный, зелёный и синий цвета так, что при правильном соотношении основных цветов мы воспринимаем эту смесь как белый цвет.
Для второй части полярископа - анализатора - подойдут поляризованные очки фирмы «Polaroid», они продаются в магазинах для рыболовов (уменьшают блики от водной поверхности) или в автомагазинах (убирают блики от стеклянных поверхностей). Проверить подлинность таких очков очень просто: поворачивая очки относительно друг друга, можно практически полностью перекрыть свет (3).
И, наконец, можно сделать анализатор из ЖК дисплейчика от испорченных электронных часов или других изделий с чёрно-белыми экранами(4). При помощи этих несложных приспособлений можно увидеть немало интересного, а если поставить анализатор перед объективом фотоаппарата - сохранить удачные кадры (5).
Предмет из абсолютно прозрачной пластмассы - линейка (8), коробочка для CD-дисков (9) или сам «нулевой» диск (см. снимок на первой странице обложки), - помещённый между ЖК-экраном и анализатором, приобретает радужную окраску. Геометрическая фигурка из целлофана, снятого с сигаретной пачки и положенная на листок того же целлофана, становится цветной (6). А если повернуть анализатор на 90 градусов, все цвета изменятся на дополнительные - красный станет зелёным, жёлтый - фиолетовым, оранжевый - синим (7).
Причина этого явления в том, что прозрачный для естественного света материал на самом деле неоднороден, или, что то же самое, анизотропен. Его физические свойства, в том числе показатели преломления разных участков предмета, неодинаковы. Световой луч в нём расщепляется на два, которые идут с разными скоростями и поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Интенсивность поляризованного света, результат сложения двух световых волн, при этом не изменится. Но анализатор вырежет из него две плоско-поляризованные волны, колеблющиеся в одной плоскости, которые станут интерферировать (см. «Наука и жизнь» № 1, 2008 г.). Малейшее изменение толщины пластинки или напряжений в её толще приводит к появлению разности хода волн и возникновению окраски.
В поляризованном свете очень удобно изучать распределение механических напряжений в деталях машин и механизмов, строительных конструкциях. Из прозрачной пластмассы делают плоскую модель детали (балки, опоры, рычага) и прикладывают к ней нагрузку, моделирующую реальную. Разноцветные полосы, возникающие в поляризованном свете, указывают на слабые места детали (острый угол, сильный изгиб и пр.) - в них концентрируются напряжения. Меняя форму детали, добиваются наибольшей её прочности.
Проделать такое исследование несложно и самим. Из органического стекла (желательно однородного) можно вырезать, скажем, модель гака (крюка для подъёма груза), подвесить её перед экраном, нагружать гирьками разного веса на проволочных петельках и наблюдать, как в ней меняется распределение напряжений.
Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Чувственное и рациональное в познавательном процессе