Поляризация света

МГУ Им. адм. Г.И. Невельского Кафедра физики В. В. Брунбендер Конспект лекций по физике Поляризация света Владивосток 2021 План лекции Естественный свет; поляризованный свет; виды поляризации; поляризаторы; закон Малюса; частично поляризованный свет. Поляризация света при отражении и преломлении. Оптическая анизотропия: двойное лучепреломление; призма Николя; дихроизм. Искусственная оптическая анизотропия: фотоупругость; эффекты Керра и Поккельса. Вращение плоскости поляризации активными средами; эффект Фарадея. Колебания электрического вектора естественной световой волны Естественный свет излучают обычные (не лазерные) источники света: Солнце, лампа накаливания, свеча и так далее. Электрический вектор E световой волны совершает неупорядоченные хаотические колебания в плоскости, поперечной направлению волны. Каким образом возникает неупорядоченные колебания электрического вектора естественной световой волны? Световые волны излучаются атомами или молекулами в виде волновых импульсов – цугов. Цуг излучения представляет собой монохроматическую волну, у которой вектор E совершает колебания в одной плоскости (рис. 1). Плоскость, в которой происходят колебания вектора E световой волны, называют плоскостью поляризации. Рис. 1: а – колебания электрического вектора волнового цуга; б – вектор E цуга лежит на плоскости, поперечную лучу Естественный свет возникает в результате наложения волновых цугов от большого количества атомов или молекул. Плоскости поляризации цугов (при спонтанном механизме излучения) никак не согласованы, ориентация векторов Ei цугов хаотична, в принципе, все направления, поперечные направлению волны, равновероятны. На рисунке 2 показаны направления электрических векторов цугов, со- Рис. 2 2 ставляющих естественную волну, на плоскости, поперечной лучу. Вывод: в естественной световой волне направления (в поперечной лучу плоскости) электрических векторов цугов, составляющих естественную волну, равновероятны. Результирующий электрический вектор E естественной световой волны совершает хаотические колебания. Поляризованным светом называют свет, у которого колебания вектора E упорядочены определенным образом. У света с плоской (линейной) поляри- зацией вектор E совершает колебания в одной плоскости, которую называют плоскостью поляризации (рис. 3). Рис. 3. а – колебания электрического вектора в плоскости поляризации; б – колебания электрического вектора в поперечной лучу плоскости У света со спиральной поляризацией конец вектора E при распространении волны описывает спиральную линию (рис. 4). Рис. 4 Спиральная поляризация бывает правовинтовая и левовинтовая (рис. 4). Различают также круговую и эллиптическую спиральные поляризации. При круговой поляризации E не изменяется; конец вектора E (в проекции на плоскость, поперечную лучу) движется по окружности. При эллиптической поляризации E за один оборот принимает максимальное Emax и минимальное Emin 3 значения; конец вектора E (в проекции на плоскость, поперечную лучу) описывает эллипс. Поляризаторами называют устройства, при помощи которых естественный свет преобразуют в поляризованный. Физические принципы работы поляризаторов будут обсуждены далее. Поляризаторы бывают объемными и плоскими. Наиболее простые поляризаторы (поляроиды) представляют собой тонкую пластинку или пленку. У поляризаторов есть избранное направление Р – Р, которое называют осью поляризатора. Ось поляризатора и направление луча света образуют плоскость поляризатора. Волновой цуг проходит через идеальный поляризатор полностью, если вектор E цуга лежит в плоскости поляризатора. Если электрический вектор образует некоторый угол  с плоскостью поляризатора, амплитуда прошедшего цуга: Epi = Ei cos  () При  =  / 2 волновой цуг полностью задерживается поляризатором. Пусть на идеальный поляризатор падает естественный свет интенсивностью I0 (рис. 5). Рис. 5 Поскольку у естественного света все направления вектора Ei (в плоскости, поперечной лучу волны) равновероятны, интенсивность света, прошедшего через поляризатор, будет равна интенсивности света, задержанного поляризатором. Следовательно, интенсивность поляризованного света в два раза меньше интенсивности естественного света, падающего на поляризатор, и не зависит от направления оси поляризатора I (2) IP = 0 . 2 4 Из рассмотренного примера следует важный вывод – естественную световую волну можно представить в виде двух волн, поляризованных во взаимноперпендикулярных плоскостях. Закон Малюса. Пусть на идеальный анализатор падает плоско поляризованная волна интенсивностью I0 (рис. 6). Рис. 6 Проекция амплитуды вектора EP на плоскость анализатора ЕА = ЕР cos. Интенсивность волны пропорциональна квадрату амплитуды, следовательно, ЕА2 = ЕР2 cos2, откуда находят уравнение, полученное французским ученым Малюсом в 1810 году IА = IР  cos2. (3) При падении естественного света интенсивностью I0 на систему двух идеальных поляризаторов (поляризатор – анализатор) интенсивность света после I поляризатора I P = 0 ; после анализатора интенсивность света изменяется по 2 закону Малюса I A = I P  cos2   I A = I0  cos 2  . 2 (4) Свет с неполной (частичной) поляризацией представляют как наложение плоско-поляризованного света интенсивностью Iпол и естественного света интенсивностью Iест. Интенсивность частично-поляризованного света равна сумме интенсивностей плоско-поляризованного и естественного света  Анализатором называют поляризатор, служащий для исследования полностью или частично поляризованного света. 5 Iчп = Iпол + Iест. (5) Характеристикой частично-поляризованного света является степень поляризации Р, которую определяют как отношение интенсивности поляризованного света к интенсивности частично-поляризованного света P= I пол . I чп (6) Формула (6) неудобна для экспериментального определения степени поляризации плоско-поляризованного света. При исследовании частичнополяризованного света при помощи анализатора находят наибольшую Imax и наименьшую Imin интенсивности прошедшего через анализатор света. В этом случае Imin = Iест / 2; Imax = Iпол + Iест / 2. Откуда: Iпол = Imax − Imin; Iчп = Iпол + Iест = Imax + Imin. Подставив найденные выражения для Iпол и Iчп в формулу (6), получают более удобную формулу для экспериментального определения степени поляризации света P= I max − I min . I max + I min (7) Для полностью поляризованного света Р = 1, для естественного света Р = 0. Формулы (6) и (7) были введены для определения степени поляризации света английским ученым Д. Стоксом в 1852 году. Формулы (6) и (7) неравноценны, при помощи (6) рассчитывают степень поляризации любого света, а (7) применима для расчета степени поляризации плоско-поляризованного света. Например, при прохождении полностью поляризованного света с круговой поляризацией через идеальный поляризатор Imax = Imin = Iпол / 2. Расчет по формуле (6) дает значение Р = 1, а по формуле (7) Р = 0. Поляризация света при отражении и преломлении Пусть естественный свет падает на плоскую границу раздела двух диэлектриков под углом . Опыты показывают, что свет, отраженный от границы раздела, частично поляризован, степень поляризации зависит от угла падения. Шотландский ученый Д. Брюстер открыл закон, что при угле падения Б = arctg n21, отраженный от границы раздела свет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Обычно закон Брюстера записывают через тангенс угла падения луча 6 tg Б = n2 , n1 (8) где n1 – показатель преломления первого диэлектрика; n2 – показатель преломления второго диэлектрика. Ключом к пониманию механизма поляризации света при отражении является взаимная перпендикулярность отраженного и преломленного лучей при угле падения, равном углу Брюстера. Естественную волну, падающую на границу раздела сред, представляют в виде двух волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Волну с поляризацией в плоскости падения, называют «бьющей» волной Eб. . Волну, с поляризацией в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, называют «скользящей» волной Eск (рис. 7). Световая волна, отраженная от границы раздела сред, возникает в результате вынужденных колебаний электронов, находящихся на поверхности второго диэлектрика, под действием электрического поля проходящей волны. Наибольшая энергия вторичных волн излучается в плоскости, поперечной направлению оси колебаний. В направлении самой оси вторичные волны не излучаются.  Задачу об излучении электромагнитных волн колеблющимися электрическими зарядами рассматривают в курсе электродинамики. 7 Под действием электрического поля скользящей поляризации Eск электроны диэлектрика колеблются параллельно границе раздела сред, вторичная световая волна с этой поляризацией распространяется в плоскости падения луча, поэтому она присутствует как в проходящем, так и в отраженном свете. Под действием электрического поля бьющей поляризации Eб электроны диэлектрика колеблются в направлении отраженного луча, поэтому в этом направлении вторичная волна с поляризацией Eб не излучается. Вывод закона Брюстера. Закон преломления света: n1 sin Б = n2 sin  Из геометрии (рис. 7):  =  −  − Б =  − Б. Откуда: sin  = cos Б; sin  Б n2 n1 sin Б = n2 cos Б; =  tg Б = n21. cos Б n1 Следствия из закона Брюстера. Если на границу раздела диэлектриков под углом Б направить поляризованный свет с бьющей поляризацией, то отраженного луча не будет. Это явление называют эффектом Брюстера. Еще один эффект. Блики отраженного света мешают наблюдать то, что происходит под поверхностью воды. Если рассматривать воду через поляризатор, можно погасить отраженный от поверхности свет и лучше увидеть процессы, происходящие в глубине. В принципе поляризатор можно построить на основе отражения света от поверхности диэлектрика при угле Б, но такие приборы сильно ослабляют интенсивность поляризованного света, так как от поверхности диэлектрика при угле Брюстера отражается не более 3-4 процентов мощности падающего света. Стопа Столетова. Свет, прошедший через диэлектрическую пластинку, слабо поляризован, в проходящей волне преобладает свет с поляризацией Eб . В поляризационной стопе Столетова на пути луча устанавливают под углом Брюстера несколько (8-10) прозрачных пластинок, что позволяет получить достаточно высокую степень поляризации (рис. 8). Рис. 8. Ход лучей в стопе Столетова 8 Оптическая анизотропия Двойное лучепреломление впервые описано датским ученым Э. Бартолином в 1670 году. При прохождении света в кристаллах исландского шпата (разновидность кальцита СаСО3), луч расщепляется в кристалле на два луча. Распространение одного из лучей (о – обыкновенного) подчинятся классическому закону преломления света, распространение другого луча (е – необыкновенного) противоречит закону преломления. Если рассматривать предмет или надпись через такой кристалл, изображение раздваивается (рис. 9). Рис. 9. Изображение текста чрез кристалл исландского шпата Двойное лучепреломление в той или иной степени наблюдают в кристаллах, структура которых не относится к кубической системе. Это явление связано с оптической анизотропией кристаллов – электрические (а, следовательно и оптические) свойства кристаллов зависят от направления в кристалле. Скорость света в анизотропном кристалле зависит не только от направления луча, но и от ориентации вектора E относительно кристаллографических осей. Пусть внутри анизотропного кристалла находится точечный источник света. Обыкновенный луч распространяется с одинаковой скоростью во всех направлениях, фронт волны луча о сферический. Скорость необыкновенного луча зависит от направления в кристалле, фронт волны луча е в одноосном кристалле является эллипсоидом. Различают положительные и отрицательные одноосные кристаллы. Кристаллы, в которых скорость обыкновенного луча больше скорости необыкновенного, называют оптически положительными кристаллами (рис 10 а). Кристаллы, в которых скорость луча о меньше скорости луча е, называют оптически отрицательными (рис 10 б). 9 Рис. 10. Волновые фронты обыкновенного и необыкновенного лучей в кристаллах: а – оптически (+) кристалл (no < ne); б – оптически (–) кристалл (no > ne) Направление в кристалле, вдоль которого не происходит разделения лучей и скорость света равна скорости обыкновенного луча, называют оптической осью кристалла (ось О – О на рис. 10). Плоскость S, образованная лучом света и оптической осью кристалла, называют главной плоскостью. Обыкновенный и необыкновенный лучи плоско-поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях: вектор обыкновенного луча Eo нормален к главной плоскости, вектор Ee лежит в главной плоскости. Построение хода о и е лучей в одноосном кристалле проводят при помощи принципа Гюйгенса. Пусть луч естественного света падает по нормали к поверхности кристаллической пластины из одноосного оптически положительного кристалла. Обыкновенный луч о подчиняется закону преломления и распространяется по нормали к пластине. Скорость необыкновенного луча е наибольшая в направлении оптической оси кристалла (рис. 11). Волновой фронт необыкновенного луча Рис. 11 имеет форму эллипса, вытянутого вдоль оптической оси кристалла. Новое положение фронта волны е строят как огибающую элементарных фронтов (отрезок АВ). Необыкновенная волна распространяется из точки падения в точку касания огибающей АВ с фронтом волны. Из рассмотренного примера следует, что в оптически анизотропных кристаллах необыкновенный луч не ортогонален фронту волны. 10 К оптически анизотропным относят также двуосные кристаллы, в которых падающий луч разделяется на два луча, которые не подчиняются классическому закону преломления света. В связи со сложностью описания процессов распространения этих лучей, данный материал не входит в программу по физике для технических вузов. Применение оптически анизотропных одноосных кристаллов для поляризации света. Для построения поляризатора на основе двулучепреломляющего кристалла достаточно отделить один из поляризованных лучей. Наиболее старый кристаллический поляризатор был изготовлен в 1828 г. английским ученым У. Николем. Призму Николя изготавливают из двух половинок, вырезанных из кристалла исландского шпата в точном соответствии с направлением оптической оси кристалла (рис. 11). Рис. 11. Схема и ход лучей в приме Николя Половинки призмы соединяют клеем из канадской сосны с показателем преломления ne < nc < no. В кристалле обыкновенный о необыкновенный е лучи разделяются, обыкновенный луч полностью отражается на границе склеивания и поглощается зачерненной поверхностью призмы. Необыкновенный переходит через склейку и выходит из призмы. В настоящее время существуют различные модификации призмы Николя, которые изготавливают из кристаллического кварца или исландского шпата, эффект разделения поляризованных лучей достигается из-за различия отражения и преломления о и е лучей на склейке. Интерференция поляризованных лучей. При наложении когерентных лучей, поляризованных во взаимно-перпендикулярных плоскостях, интерференция не возникает, так как поперечные векторы при наложении не могут создавать максимумы и минимумы. Для получения интерференционной картины необходимо свести колебания обыкновенного и необыкновенного лучей в одну плоскость. С этой целью кристаллическую пластинку помещают между двумя поляризаторами (рис. 12), применяя оптическую систему «поляризатор – пластинка – анализатор». 11 Поляризатор отбирает волны, ориентированные преимущественно вдоль оси поляризатора. Если установить поляризатор под углом 45 градусов к оптической оси, то интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей, возникающих в кристаллической пластине, будут равны и лучи о и е будут когерентны, так как они получены из одной и той же группы элементарных цугов. Рис. 12. Схема наблюдения интерференции поляризованных лучей На систему посылают монохроматический свет в направлении, поперечном оптической оси пластинки. Анализатор сводит колебания Eo и Ee в плоскость анализатора (рис. 13). Плоскость анализатора также устанавливают (для получения наилучшей видности картины интерференции) под углом 45 градусов к оптической оси. При такой установке анализатора обыкновенный и необыкновенный лучи вносит равный вклад в создание интерференционной картины. Рис. 13. Сведение колебаний Eo и Ee в плоскость анализатора При прохождении монохроматического света через кристаллическую пластинку в направлении, поперечном оптической оси кристалла, о и е лучи 12 пройдут, не разделяясь, по одному пути, но между ними возникнет оптическая разность хода  = (ne − no )d , где d – толщина пластинки. Если свет монохроматический и толщина кристаллической пластинки везде одинакова, на выходе будет равномерная освещенность без характерных для интерференционной картины чередующихся темных и светлых полос. Интенсивность выходящего из анализатора А – А света можно менять, изменяя оптическую разность хода . Это можно получить, меняя длину волны , что приводит к изменению окраски экрана, или изменяя толщину пластинки. Если использовать пластинку переменной толщины, то на экране будут наблюдать интерференцию виде чередующихся светлых и темных полос или пятен. Преобразование плоской поляризации в круговую. Пластинку с оптической разностью хода  = (2m − 1)  (где m = 1, 2, 3, …) называют пластинкой 4 в четверть длины волны. При пропускании плоско-поляризованного света через четвертьволновую пластинку между лучами о и е возникает разность фаз коле-  баний, равная ( 2m − 1) . При сложении поперечных колебаний с разностью 2 фаз ( 2m − 1)  получают свет с круговой поляризацией (если угол между векто2 ром EP и оптической осью кристалла равен 45 градусов). Для преобразования плоско-поляризованного света в свет со спиральной поляризацией анализатор не нужен, так как не требуется сводить колебания в одну плоскость. Пластинку в четверть длины волны также применяют для преобразования света с круговой поляризацией в плоско-поляризованный свет. Рис. 14. Схема преобразования плоско-поляризованного света в свет с круговой поляризацией при помощи пластинки в четверть волны 13 Искусственная оптическая анизотропия Фотоупругость – явление возникновение оптической анизотропии в телах, изотропных по своей природе, под действием механических напряжений. Явление фотоупругости открыто независимо друг от друга Т. Зеебеком (1813 г.) и Д. Брюстером (1816 г.). Схема наблюдения фотоупругости дана на рис. 15. Рис. 15. Упрощенная схема наблюдения фотоупругости Образец из прозрачного некристаллического материала (стекло, пластмасса и прочее) подвергают деформации и помещают между скрещенными поляризаторами Р – Р и А – А. Механическая деформация изменяет расположение атомов и молекул тела, изменяя тем самым электрические и оптические свойства тела, и приводит к появлению оптической анизотропии. В деформированном образце возникает (вдоль линии действия силы) оптическая ось, и возникает эффект двулучепреломления. Поляризованный свет, попадая в образец по нормали к оптической оси, расщепляется на обыкновенный и необыкновенный лучи. Лучи о и е идут в одном направлении, но с разными скоростями, между лучами возникает оптическая разность хода  = (no − ne)l. Исследования показали, что разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей пропорциональна механическому напряжению: (no − ne) = Кф σ, (9) где Кф – коэффициент фотоупругости; σ = F S − механическое напряжение; S – площадь поперечного сечения образца. 14 Откуда  = Кф σl. При помощи условий для интерференционных максимумов и минимумов находят формулы для их расчета при фотоупругости  max : Kσl = m; min: Kσl = (2m − 1) . 2 (10) Явление фотоупругости широко применяют для моделирования распределения механических напряжений в различных конструкциях. Помещая прозрачные модели реальных конструкций по схеме рис. 15 и подвергая модели различным нагрузкам, изучают распределение механических напряжений (напряжение тем больше, чем выше порядок максимумов или минимумов). Пример интерференционной картины распределения механических нагрузок в деформированной круглой стеклянной пластине дан на рис. 16. Рис. 16. Картина фотоупругости (в белом свете) деформированного образца Электрооптические эффекты Керра и Поккельса. Оптическая анизотропия в прозрачных изотропных средах возникает также под действием сильного электрического поля. Эффект Керра наблюдают в жидкостях и изотропных кристаллах кубической структуры. Эффект был открыт в 1875 г. шотландским ученым Д. Керром. Оптическая анизотропия при эффекте Керра возникает из-за деформации электронных облаков атомов и молекул среды в электрическом поле. При движении света в анизотропной среде возникает оптическая ось вдоль внешнего электрического поля. В результате луч света расщепляется на о и е лучи, разность показателей преломления (ne − no ) у которых пропорциональна длине волны и квадрату напряженности внешнего поля (ne − no ) = b E 2 , (11) где b – постоянная Керра; Е – напряженность электрического поля в среде. Формулу (11) называют законом Керра. 15 Ячейка Керра представляет собой конденсатор, пластины которого погружены в диэлектрическую жидкость. Ячейку помещают между скрещенными поляризаторами Р – Р и А – А (рис. 17). Рис. 17. Схема ячейки Керра В отсутствии электрического поля свет не проходит через ячейку, так как оси поляризаторов скрещены. При подаче напряжения в конденсаторе возникает электрическое поле EC , которое вызывает оптическую анизотропию. В электрическом поле жидкость приобретет свойства двулучепреломляющего кристалла; вдоль направления электрического поля конденсатора появится оптическая ось. В ячейке Керра луч расщепляется на о и е лучи, поляризованные во взаимно-перпендикулярных плоскостях, между которыми возникает оптическая разность хода  = (ne − no )b E 2l , (12) где l – длина пробега луча между пластинами конденсатора. После сведения Eo и Ee в плоскость анализатора, напряженность выходящей из анализатора волны EA будет в общем случае отлична от нуля и свет пройдет через ячейку. Изменяя напряжение на конденсаторе, можно управлять при помощи ячейки Керра потоком света на фотоприемнике (ФП). Эффект, открытый в 1893 г. немецким ученым Ф. Поккельсом, наблюдают в кристаллах, не имеющих центра симметрии (например, в кристаллах ниобата лития и арсенида галлия). В отличие от эффекта Керра, зависимость (ne − no ) от напряженности внешнего электрического поля в эффекте Поккельса является линейной и не зависит от длины волны света (ne − no ) = kE , (13) где k – постоянная Поккельса. Ячейка Поккельса отличается от ячейки Керра только диэлектриком между пластинами конденсатора. 16 Дихроизм – явление, при котором наблюдают разное поглощение обыкновенного и необыкновенного лучей оптически анизотропными средами. Явление было впервые описано французским ученым П. Кордье. Среди природных кристаллов дихроизмом обладают кристаллы турмалина, герапатита, александрита и другие. Слово «дихроизм» переводится как «двухцветность», так как в одноосных кристаллах различают две основные окраски – при наблюдении вдоль оптической оси и перпендикулярно к ней. В кристаллах турмалина обыкновенный луч полностью поглощается на пути в 1 мм, необыкновенный луч при этом практически не поглощается. Для поляризации света природные кристаллы практически не применяют, так как поглощение света в них зависит от длины волны, белый свет при пропускании через них приобретает нежелательную окраску. Значительно более высокой степенью поляризации обладают некоторые искусственные кристаллы. Например, кристаллы сульфата йодистого хинина прозрачны в видимом диапазоне и полностью поглощают один из лучей на пути 0,1 мм. В настоящее время в качестве поляризаторов также применяют искусственно деформированные поляроидные пленки, имеющие свойства дихроизма. Поляризаторы, основой функционирования которых является явление дихроизма, называют поляроидами. Поляроиды являются не дорогими оптическими приборами и получили широкое распространение. Вращение плоскости поляризации активными средами (оптическая гиротропия). Вещества называют оптически активными, если они обладают способностью вращения плоскости поляризации проходящего в них плоскополяризованного света. К таким веществам относятся некоторые кристаллические тела (например, кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, глюкозы). В жидкостях оптическая активность обуславливается асимметрией молекул вещества самой жидкости или молекул, растворенных в жидкости. В кристаллах оптическая активность зависит от структуры кристаллической решетки. В зависимости от направления вращения плоскости поляризации все оптически активные вещества подразделяются на право- и левовращающие. Если смотреть по движению луча, в правовращающих веществах плоскость поляризации будет поворачиваться по часовой стрелке, левовращающих – против. Кристаллические вещества наиболее сильно вращают плоскость поляризации при распространении по оптической оси одноосного кристалла. Угол 17 поворота электрического вектора пропорционален пути луча в активной среде  =   l, () где  − постоянная вращения. Френель дал качественное объяснение вращению плоскости поляризации активными средами. Плоско-поляризованную монохроматическую световую волну E = EAcos(t − kx) он представил в виде суперпозиции двух волн левой Елев и правой Еправ, имеющих противоположные спиральные поляризации. Векторы Eлев и Eправ этих волн равны по модулю EA 2 и вращаются в противоположные стороны с одинаковой угловой скоростью . В оптически активной среде волны Елев и Еправ движутся с разными фазовыми скоростями. Пусть фазовая скорость левой волны равна uлев , а правой волны uправ . Путь l в активной среде левая волна пройдет за время tлев = l uлев = l  nлев . За это время вектор Eлев c совершит поворот на угол l  nлев 2 l  nлев 2 l  nлев  лев = tлев ;  лев = ;  лев = ;  лев = . c c  Аналогично вектор правой волны на пути l в активной среде повернется на 2 l  nправ угол прав = . Изменение угла между векторами Eлев и Eправ на пути l в  2 l ( n − n ). Угол поворота вектора E  прав лев плоско-поляризованной волны  =  / 2, откуда l   = ( nправ − nлев )   = ( nправ − nлев ). (15)   активной среде  = прав − лев = Рис. 18. Сложение векторов Еправ и Е лев в точках 1 и 2, до и после прохождения плоско-поляризованной волны через оптически активное вещество ( nлев  nправ ) 18 Вращение плоскости поляризации света в магнитном поле. Вращение плоскости поляризации световой волны оптически неактивными жидкостями, помещенными в магнитное поле, было открыто английским ученым М. Фарадеем в 1845 году. Эффект Фарадея наблюдают при распространении поляризованного света вдоль линий магнитной индукции. Угол поворота плоскости поляризации  пропорционален длине пути луча l в активной среде и напряженности Н магнитного поля  = vlH () где v − постоянная Верде (удельное вращения). Постоянная Верде зависит от свойств среды и обратно пропорциональна длине световой волны. Направление вращения плоскости поляризации зависит только от направления магнитного поля. Если поляризованный луч прошел в намагниченной среде, отразился от зеркала и снова прошел через активную среду в обратном направлении, то поворот плоскости поляризации удвоится. С позиций науки магнитное вращение плоскости поляризации вызвано прецессией электронный орбит в магнитном поле (прецессией Лармора). Рис. 19. Вращение плоскости поляризации света неактивной жидкостью в магнитном поле Контрольные вопросы 1. Что такое естественный свет? Как колеблется электрический вектор E естественной световой волны? 2. Что такое поляризованный свет? Какие существуют виды поляризации? 19 3. Какой свет называют плоско-поляризованным? Что такое плоскость поляризации? 4. Какие устройства называют поляризаторами? Что такое плоскость поляризатора? 5. Что будет, если естественный свет пропустить через идеальный поляризатор? В какой плоскости колеблется вектор Ep ? Чему будет равна интенсивность поляризованного света? Будет ли изменяться интенсивность света после поляризатора, если поворачивать плоскость поляризатора? 6. Чему равна амплитуда поляризованной волны, прошедшей через анализатор? Как формулируют закон Малюса? Чему равна интенсивность света, прошедшего через систему поляризатор – анализатор, если на поляризатор падает естественный свет? 7. Какой свет является частично-поляризованным? По каким формулам рассчитывают степень поляризации? 8. В какой плоскости поляризована волна, отраженная от поверхности диэлектрика, если естественный свет падает на диэлектрик под углом Брюстера? Как формулируют закон Брюстера? Чему равен угол между отраженной и преломленной волной, если отраженный свет полностью поляризован? Что такое эффект Брюстера? Что представляет собой стопа Столетова? 9. Что такое оптическая анизотропия? Чем обыкновенный луч отличается от необыкновенного? Какой фронт имеют обыкновенный и необыкновенный лучи при распространении света от точечного источника в анизотропной среде? Что такое оптическая ось? Как колеблются векторы Eo и Ee у обыкновенной и необыкновенной волн? 10. Как с помощью построений, основанных на принципе Гюйгенса, построить направление необыкновенного луча в анизотропном кристалле? 11. Как получают плоско-поляризованный свет при помощи призм из анизотропного кристалла? 12. Могут ли лучи, поляризованные во взаимно-перпендикулярных плоскостях, создавать интерференционную картину? Каким образом получают интерференцию света при двойном лучепреломлении? 20 13. Что такое пластинка в четверть волны? Как получить спиральную поляризацию при помощи такой пластинки? 14. Что такое фотоупругость? Как рассчитывают разность показателей преломления и разность хода лучей при механическом напряжении в образце? Как моделируют распределение механических напряжений при помощи фотоупругости? 15. Как получить оптическую активность ранее неактивного диэлектрика при помощи электрического поля? В чем разница между эффектами Керра и Поккельса? Как устроена и работает ячейка Керра? 16. Какое явление называют дихроизмом? В каких кристаллах наблюдают это явление? Что такое поляроиды? 17. Какие вещества называют оптически активными? Как объяснил Френель поворот плоскости поляризации оптически активными средами? 18. Что называют магнито-оптическим эффектом Фарадея? Как влияет магнитное поле на вращение плоскости поляризации света в неактивной (без магнитного поля) среде? 21