Ориентированное естественное монохроматическое излучение образовано множеством электромагнитных волн, у которых векторы E и H колеблются в самых различных направлениях в плоскости, перпендикулярной распространению света (рис. 8).
Процесс получения в направленном световом излучении световых волн, имеющих колебания в строго определенной плоскости, называется поляризацией света.
Свет может быть полностью поляризованным и частично поляризованным. Частично поляризованным называется свет, в котором преимущественно одно направление колебаний, а другие являются частичными.
Плоскость, перпендикулярная плоскости вектора Е, называется плоскостью поляризации. При описании состояния поляризации достаточно использовать только вектор Е.
Поляризация света происходит при прохождении света через некоторые вещества, при отражении и преломлении на границах раздела сред. Она возникает только в оптически анизотропных средах, таких, как турмалин, исландский шпат и др.
В качестве примера рассмотрим прохождение света через две пластины из турмалина. Каждая из пластин в отдельности прозрачна для света. Если же его пропустить через пластины, установленные друг за другом, то интенсивность проходящего света будет меняться в зависимости от взаимного положения оптических осей кристаллов. При вращении одной из пластин наибольшая интенсивность проходящего света наблюдается в том случае, когда оптические оси кристаллов параллельны. Затем его интенсивность уменьшается, и в положении, когда оптические оси будут перпендикулярны, свет не проходит. Следовательно, пластина турмалина естественный свет поляризует, пропуская только то излучение, у которого колебания вектора Е совершаются лишь в плоскости, параллельной оси кристалла, и не пропуская излучение с колебаниями в плоскости, перпендикулярной к ней.
Устройство, предназначенное для получения поляризованного света, называется поляризатором. Устройство, с помощью которого определяется поляризация света, называется анализатором.
Для получения поляризованного света широко применяются специальные пленки с нанесенными на их поверхность кристаллами герапатита, оси которых строго ориентированы. (Герапатит - соединение йода с хинином.) Такие пленки-поляризаторы называются поляроидами.
При отражении света от полированной поверхности стекла или иного диэлектрика, а также при преломлении на поверхностях раздела сред происходит его частичная поляризация. Степень поляризации света зависит от угла падения e и показателя преломления вещества п. При определенных значениях угла падения происходит полная поляризация отраженного света. Эта зависимость выражается законом Брюстера. tge = n, а угол e называется углом полной поляризации или углом Брюстера.
Таким образом, простейшим поляризатором является полированная поверхность стеклянной пластины. Свет, отраженный от полированной поверхности, частично поляризован в плоскости падения (рис. 9).
При преломлении поляризация света составляет всего около 15-17%. Для получения полной поляризации света плоскопараллельные пластины соединяются в стопу из 8-10 штук. Свет, преломленный на границе оптических сред, линейно поляризован в плоскости падения лучей и ориентирован перпендикулярно плоскости колебания отраженных лучей (рис. 10).
На явлении поляризации основан принцип действия разнообразных оптических приборов, называемых поляризационными.
Поляризационные приборы применяются для научных исследований кристаллохимической и магнитной структуры твердых тел, структуры кристаллов, упругих напряжений в конструкциях, при диагностике плазмы, в технике для плавной регулировки интенсивности светового пучка, для создания светофильтров и модуляторов излучения как составных элементов оптической связи, определения концентрации растворов и других целей.
Глава 4. Сведения из геометрической оптики
Геометрическая оптика - раздел оптики, в котором законы распространения света в прозрачных средах рассматриваются с точки зрения геометрии. (11, с.9.)
Пространство, находящееся относительно оптической системы с левой стороны, образует пространство предметов, а находящееся с правой стороны - пространство изображений. Каждой точке, каждому отрезку, лучу в пространстве предметов соответствует точка, отрезок, луч в пространстве изображений. Такие точки, отрезки, лучи называются сопряженными. Сопряженные точки, отрезки, лучи и углы в пространстве предметов и изображений обозначаются одинаковыми буквами и цифрами, но в пространстве изображений они дополняются знаком «штрих».
Геометрическая оптика основывается на понятиях - светящаяся точка, световой луч, световой пучок.
Светящаяся точка, или точечный источник света, - это условный источник излучения света, не имеющий размеров и объема.
Световой луч - условная прямая линия, проведенная от источника света в любом направлении и не имеющая размеров в поперечном сечении.
Световой пучок - это совокупность световых лучей, имеющих упорядоченное направление распространения. Световые пучки бывают расходящимися, сходящимися и параллельными (см. рис. 11). Все световые пучки, имеющие одну общую точку пересечения световых лучей, называются гомоцентрическими пучками. Точка пересечения световых лучей параллельного пучка находится в бесконечности.
Следовательно, светящаяся точка, световой луч и световой пучок - понятия реально не существующие, а являющиеся математической моделью, применяемой для построений и расчетов.
В геометрической оптике принят принцип обратимости: путь светового луча, проходящего через оптическую систему в одном направлении, повторяется лучом, проходящим в обратном направлении.
В геометрической оптике направление распространения света слева направо считается положительным. Для оценки размеров отрезков и углов приняты правила знаков.
Положительными считаются линейные отрезки, расположенные вдоль оптической оси, если их направление относительно точки начала отсчета совпадает с положительным направлением света; радиусы кривизны оптических деталей, если центры кривизны находятся справа от поверхностей, ограничивающих среды; отрезки, перпендикулярные к оптической оси, если они находятся выше оптической оси; угол, если он образован вращением луча вокруг его вершины по часовой стрелке. Линейные отрезки, радиусы кривизны, отрезки, перпендикулярные к оптической оси, углы будут отрицательными, если их направление будет противоположным положительному.
На чертеже отрицательные значения отрезков и углов отмечаются знаком «минус» перед их буквенным или числовым значением.
Толщина оптических деталей и воздушные промежутки между преломляющими поверхностями считаются всегда положительными.
Геометрическая оптика базируется на четырех основных законах.
1 Закон прямолинейного распространения света.
2. Закон независимости распространения световых лучей.
3. Закон отражения света.
4. Закон преломления света.
Закон прямолинейного распространения света устанавливает, что свет в оптически однородной среде распространяется строго прямолинейно, по прямой, соединяющей две точки. Действием этого закона объясняется образование теней и полутеней, солнечных и лунных затмений. Закон прямолинейного распространения света нарушается в случае неоднородности оптической среды, а также при явлении дифракции. (11, с.11.)
Закон независимости распространения световых лучей устанавливает, что если в оптической среде встречаются лучи света, идущие из различных направлений, они не влияют друг на друга и распространяются так, как будто других не существует.
При падении световых лучей на какую-либо поверхность, являющуюся границей раздела сред, часть световых лучей отражается от этой поверхности и опять возвращается в исходную среду.
Условно выделив один элементарный световой луч, назовем его падающим лучом, луч после - отраженным лучом (рис. 12). Опустив нормаль в точку падения, получим два угла. Угол, образованный падающим лучом и нормалью к отражающей поверхности в точке падения, называется углом падения е. Угол, образованный отраженным лучом и нормалью, называется углом отражения е'. Углы отсчитываются от нормали, и, согласно правилу знаков, угол падения имеет отрицательное значение - е, а угол отражения - положительное е'.
Закон отражения света определяет закономерность взаимных положений падающего и отраженного лучей - луч падающий, нормаль в точке падения к отражающей поверхности и луч отраженный лежат в одной плоскости, и образованные ими углы падения и отражения равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку:
-e = e
Если поменять местами падающий и отраженный луч, то они повторят свой путь в обратном направлении. Это значит, что они обратимы. (11, с.10.)
Действие зеркал основано на законе отражения света.
При прохождении светового луча из одной оптической среды в другую, отличающуюся показателем преломления, на границе этих сред он изменяет свое направление, преломляется (рис. 13, а, б).
Если провести нормаль к поверхности раздела сред через точку падения светового луча, то между нормалью и падающим, а также нормалью и преломленным лучом образуются углы, соответственно называемые углом падения е и углом преломления е'. Согласно правилу знаков, угол падения и угол преломления имеют отрицательные значения.
При прохождении светового луча из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем преломления, т.е. когда n2 > n1 (рис. 13, а), световой луч отклоняется к нормали и |e|>|e'|.