Подвійне променезаломлення

Усі прозорі кристали, крім кристалів кубічної системи, які оптично ізотропні, є оптично анізотропні. Їх відносна діелектрична проникність і показник заломлення залежать від напрямку електричного вектора світлової хвилі.

В оптично анізотропних кристалах спостерігається явище подвійного променезаломлення, яке полягає у тому, що промінь світла, який падає на поверхню кристала, роздвоюється в ньому на два заломлені промені, що поширюються з різними швидкостями.

Кристали, що мають подвійне променезаломлення, діляться на одновісні і двовісні. В одновісних кристалах для одного із заломлених променів виконується закон заломлення, зокрема заломлений промінь лежить в одній площині з падаючим променем і нормаллю до заломлюючої поверхні. Цей промінь називається звичайним (о). Для другого променя, який називається незвичайним (е), відношення синусів кута падіння і кута заломлення не залишається сталим при зміні кута падіння. Незвичайний промінь не лежить в одній площині з падаючим променем і нормаллю до поверхні кристала.

На рис. 3.9. показано явище подвійного променезаломлення в одновісному кристалі, коли пучок світла падає на кристал по нормалі. Один із променів (о) є продовженням падаючого, а інший (е) при проникненні в кристал відхиляється на певний кут.

Одновісними кристалами є ісландський шпат, кварц, турмалін, а двовісними – слюда, гіпс. У двовісних кристалах обидва промені незвичайні.

В одновісних кристалах існує один напрямок, вздовж якого подвійне променезаломлення не спостерігається.

Рис. 3.9.

Напрямок у кристалі, по якому поширюються звичайні і незвичайні промені не розділяючись і з однаковою швидкістю, називається оптичною віссю кристала.

Оптична вісь – це не пряма лінія, що проходить через якусь точку кристала, а певний напрямок у кристалі. Довільна пряма, паралельна до цього напрямку, є оптичною віссю кристала.

Площина, яка проходить через промінь і оптичну вісь кристала, що перетинає промінь, називається головною площиною, або головним перерізом кристала, що відповідає цьому променю. Через кристал можна провести нескінченну множину паралельних оптичних осей і нескінченну множину паралельних головних перерізів. Лінія перетину двох довільних головних перерізів завжди є оптичною віссю. На рис. 3.8. оптична вісь OO: промінь, що падає на кристал і поширюється у цьому напрямку, не буде роздвоюватись.

Дослідження звичайного і незвичайного променів показує, що обидва промені повністю поляризовані у взаємно перпендикулярних напрямках. Електричний вектор у звичайному промені перпендикулярний до площини головного перерізу (), а у незвичайному промені лежить у площині головного перерізу () (рис. 3.9), тобто площина поляризації звичайного променя перпендикулярна до площини головного перерізу, а незвичайного збігається з площиною головного перерізу.

Після виходу з кристала, якщо не брати до уваги поляризацію у двох взаємно перпендикулярних напрямках (площинах), ці два промені нічим один від одного не відрізняються.

Подвійне променезаломлення пояснюється анізотропією кристалів. У кристалах некубічної системи діалектрична проникність виявляється залежною від напрямку дії електричного поля . В одновісних кристалах у напрямку оптичної осі і в напрямку, який перпендикулярний до неї, має різні значення і , які називаються повздовжньою і поперечною діелектричними проникностями кристала. В інших напрямках має проміжне значення. А оскільки і , то з анізотропії випливає, що світловим хвилям з різними напрямками коливання вектора відповідають різні значення показника заломлення і швидкості світлових хвиль.

Одновісні кристали характеризуються показником заломлення звичайного променя, який дорівнює , і показником заломлення незвичайного променя . Значення найбільше відрізняється від для напрямку, який перпендикулярний до оптичної осі.

Залежно від того, яка із швидкостей чи більша, розрізняють додатні і від’ємні одновісні кристали.

Якщо і, відповідно, , кристал називається оптично додатним. Для від’ємного кристала і .

Явище подвійного променезаломлення лежить в основі роботи поляризаційних пристроїв, які служать для отримання поляризованого світла. Найчастіше для цього застосовуються призми і поляроїди. Призми ділять на два класи:

1). призми, що дають лише плоскополяризований промінь (поляризаційні призми);

2). призми, що дають два поляризовані у взаємно перпендикулярних площинах промені (двозаломлюючі призми).

Типовий представник поляризаційних призм – призма Ніколя (ніколь) – дві призми з ісландського шпату, які склеєні вздовж лінії АВ канадським бальзамом з n=1,55 (рис. 3.10а).

а в

Рис. 3.10. Поляризаційні призми

Оптична вісь OO спрямована під кутом до вхідної грані AC. Промінь при падінні на грань AC внаслідок подвійного заломлення поділяється на звичайний o і незвичайний промінь e. При певному виборі кутів призми звичайний промінь падає на шар бальзаму під кутом , який більший за граничний, зазнає повного внутрішнього відбивання, падає на зачорнену грань CB і нею поглинається. Незвичайний промінь виходить з призми паралельно до грані CB. Площина його поляризації збігається з площиною головного перерізу.

Прикладом двозаломної призми є призма Волластона, яка складається з двох прямокутних призм із ісландського шпату (рис. 3.10б). У призмі ABC оптична вісь паралельна до катета AB, а в призмі ACD до ребра C, яке перпендикулярне до площини рисунка. Природне світло падає нормально на грань AB; обидва промені, звичайний і незвичайний, що виникають в призмі ABC, ідуть по одному напрямку, відповідно з швидкостями і . У іншій призмі вони також поширюються в напрямку, який перпендикулярний до оптичної осі, але оскільки оптичні осі в обох призмах взаємно перпендикулярні, то звичайний промінь в першій призмі перетворюється у незвичайний в іншій і навпаки. Тому звичайний промінь в першій призмі заломиться на межі обох призм з відносним показником заломлення , а промінь незвичайний – з . Для ісландського шпату і тому , а . Перший промінь заломиться в бік ребра C призми ACD, а другий – в бік її основи AD. Цим досягається значне розходження променів. Обидва промені плоско поляризовані.

Всі двозаломлюючі кристали тією чи іншою мірою поглинають світло. Коефіцієнт поглинання неоднаковий для звичайного і незвичайного променів і залежить від напрямку поширення світла в кристалі. Ця явище називається дихроїзмом. Значний дихроїзм у видимій області спектра мають кристали турмаліну, в якому коефіцієнт поглинання для звичайних променів в багато разів більший, ніж для незвичайних. Пластинка турмаліну завтовшки практично повністю поглинає звичайні промені, і світло, що проходить крізь неї, буде лінійно поляризованим.

Плівка завтовшки , на яку нанесено кристалики гепатиту, повністю поглинає звичайний промінь видимої області спектра.

Поляризатори, для створення яких використане явище дихроїзму, називаються поляроїдами.