8.4 Поляризационные устройства

Для поляризации света на практике используются специальные поляризационные устройства. В состав поляризационных устройств, как правило, входят кристаллы с оптической анизотропией. В большинстве случаев для этого применяется исландский шпат, реже кварц, натронная селитра и слюда.

Рассмотрим поляризационное устройство, изобретенное в 1828г. шотландским физиком Николем (1768-1851). Это устройство получило название в честь своего изобретателя и известно как призма Николя.

Призма Николя изготавливается из кристалла исландского шпата. Исландский шпат, представляющий собой одну из разновидностей углекислого кальция (CaCO3), встречается в природе в виде больших прозрачных кусков. Сильно различающиеся показатели преломления у такого кристалла для обыкновенного луча и необыкновенного лучей приводит к ярко выраженному эффекту двойного преломления. Кристаллы исландского шпата относятся к гексогональной группе и являются одноосными. Кристалл с помощью скалывания вдоль кристаллических плоскостей легко привести к форме ромбоэдра (рис. 8.11), ограниченного шестью параллелограммами с углами при вершинах и . При шлифовке плоскостей кристалла таким образом, что все его рёбра приобретают одинаковую длину, оптической осью кристалла является любая прямая, параллельная отрезку , соединяющему вершины, где сходятся стороны трёх тупых углов .

Для изготовления призмы Николя (рис. 8.12) у кристалла исландского шпата в виде ромбоэдра , полученного как было указано выше, сошлифовывают основания так, чтобы рёбра составляли с основанием угол . Тогда направление оптической оси представляет собой любую прямую, параллельную отрезку .

После шлифования кристалл разрезают на две части в плоскости, перпендикулярной новым основаниям и главному сечению кристалла, и склеивают тонким слоем канадского бальзама, показатель преломления которого , имеет промежуточное значение между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного луча кристалла.

Световой луч с произвольным состоянием поляризации после преломления в кристалле (рис. 8.12) разделяется на два луча - обыкновенный и необыкновенный . Благодаря конструкции призмы Николя необыкновенный луч проходит беспрепятственно на границу двух склеенных частей кристалла, а обыкновенный луч испытывает полное внутренне отражение и попадает на зачернённую грань основания, испытывая поглощение в ней. В ряде случаев для недопущения нагрева кристалла обыкновенный луч может выводиться из кристалла с помощью призмы , указанной на рис 8.12.

Выходящий из призмы Николя световой луч окажется линейно поляризованным в главной плоскости кристалла, на что указывают стрелки направления колебаний электрического вектора необыкновенного луча.

В призме Фуко (рис. 8.13) две части распиленного кристалла разделены воздушным промежутком, благодаря которому эта призма может быть использована для поляризации ультрафиолетового излучения, которого невозможно получить в призме Николя, поскольку канадский бальзам поглощает ультрафиолет. Направление оптической оси в призме Фуко составляет с основанием угол и отмечено на рис. 8.13 двусторонней стрелкой.

К недостаткам призмы Николя и Фуко следует отнести вращение направления выходящего из них луча при вращении призмы. Этот недостаток преодолевается в специальных призмах, имеющих не скошенные основания , а в форме параллелепипеда. Такие поляризационные устройства известны, как призмы Глазебрука (рис. 8.14), Глана, Глана - Томсона, Гартнака - Празмовского, Франка - Ритера , а также представленная на рис. 8.15 тройная призма Аренса . Оптические оси кристаллов, используемых в приведенных на рис. 8.14 и рис. 8.15 соответственно призм Глазебрука и призм Аренса, параллельны плоскости основания призм и отмечены точками на этих рисунках. На рис. 8.14 луч неполяризованного света, попадая в кристалл , расщепляется на два луча, распространяющихся в одном направлении, но поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях, что и отмечено на рисунке на лучах точками и двусторонними стрелками. На границе двух кристаллов выполнено условие полного внутреннего отражения обыкновенного луча, в то время как необыкновенный луч проходит границу раздела не отклоняясь.

Интересно отметить, что к одним из параметров поляризационных важнейших призм относят апертуру полной поляризации призмы, представляющую собой разность предельных углов падения световых пучков на призму, при которых из призмы выходит только один необыкновенный луч. Среди перечисленных призм наибольшей апертурой полной поляризации, равной примерно , обладает призма Глазебрука, склеенная льняным маслом, а также призма Гартнака - Празмовского. Для сравнения призма Николя имеет апертуру полной поляризации, равную .

На практике получили распространение призмы, в которых на её выходе образуются два луча, разделённых в пространстве . Такие поляризационные устройства получили название двухлучевых поляризационных призм. Двухлучевые призмы, одна из возможных конструкций которых показана на рис. 8.16, изготавливаются из комбинации стеклянной призмы и призмы из исландского шпата. Показатель преломления стекла близок к показателю преломления необыкновенного луча в кристалле исландского шпата. Необыкновенный луч проходит комбинацию призм без преломления, а обыкновенный сильно отклоняется к основанию в результате двукратного отражения на её гранях. Оптическая ось кристалла, используемого в этой призме, параллельна плоскости основания призмы и отмечена точками на этих рисунках.

Поляризованный световой луч можно получить также при его прохождении через кристаллы, в которых поглощение проходящих через них электромагнитных волн зависит от направления колебаний вектора напряжённости электрического поля. Такими свойствами обладают дихроичные пластинки. Дихроизмом обладают такие вещества как турмалин, сульфат йодистого хинина. В турмалине обыкновенный луч поглощается сильнее необыкновенного. При прохождении обыкновенный лучом расстояния в 1мм он оказывается полностью поглощённым.

Замечательной особенностью поляризаторов на основе турмалина является зависимость поглощения в нём электромагнитных волн от их длины волны. При определённой толщине кристалла турмалина выходящий из него свет будет не только линейно поляризован, но и приобретёт преимущественно жёлто зелёный световой оттенок, поскольку остальные спектральные компоненты окажутся поглощёнными. Таким образом, поляризатор на основе турмалина одновременно будет представлять собой светофильтр.

Другим дихроичным кристаллом является кристалл сульфата йодистого хинина, в котором поглощение одного из лучей отмечается уже на расстояниях в 0.1мм.Кристаллы сульфата йодистого хинина применяются в поляризационных устройствах, получивших название поляроидов. Поляроид представляет собой целлулоидную плёнку, на поверхность которой наносится большое количество одинаково ориентированных кристаллов сульфата йодистого хинина.

В заключении отметим, что зависимость поглощения электромагнитных волн от поляризации проходящего через них электромагнитного излучения приводит к зависимости поглощения электромагнитных волн от их направления распространения. При этом меняется также и поглощение волн в кристалле в зависимости от длины волны. В результате этого наблюдается эффект изменения окраски кристалла в зависимости от направления распространения света в нём. Такое явление известно как плеохроизм (многоцветность). Плеохроизм присущ большей части двулучепреломляющих кристаллов.