§ 128. Двойное лучепреломление. Поляризация света в исландском шпате. Призма Николя

В связи со сложностью структуры кристалла процесс поляризации света в них является, вообще говоря, значительно более сложным, чем он описывался в предыдущем параграфе. Оказывается, что из естественного луча, проходящего через кристалл, образуется не один, а два луча, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Электрические колебания одного из этих лучей перпендикулярны главной плоскости кристалла; он называется обыкновенным лучом (обозначается буквой о). Электрические колебания другого луча совершаются в главной плоскости; он называется необыкновенным лучом (обозначается буквой е). Очевидно, что при любом направлении обыкновенного луча его электрические колебания перпендикулярны оптической оси кристалла (рис. 343, а); поэтому обыкновенные лучи распространяются по всем направлениям с одинаковой скоростью следовательно, показатель преломления для обыкновенного луча есть величина постоянная где с — скорость света в вакууме) У необыкновенного луча угол между направлением электрических колебаний и оптической осью отличен от прямого и зависит от направления луча (рис. 343, б); поэтому необыкновенные лучи распространяются по различным направлениям с различными скоростями. Отсюда следует, что показатель преломления для необыкновенного луча не является переменной величиной, зависящей от направления луча:

Рис. 343

Благодаря различию показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей эти лучи претерпевают в кристалле

неодинаковое преломление; они разделяются (раздваиваются) и идут в нескольких различных направлениях. Это явление называется двойным лучепреломлением. Оно имеет место и в турмалине и в поляроиде. Однако эти вещества очень сильно поглощают обыкновенный луч, поэтому через достаточно толстую пластинку турмалина или пленку поляроида проходит только один поляризованный луч (необыкновенный).

Рис. 344

Иначе обстоит дело при поляризации света в кристалле исландского шпата. Он одинаково прозрачен для обыкновенного и необыкновенного лучей и потому обладает ярко выраженным двойным лучепреломлением, в чем легко убедиться по кажущемуся раздвоению какого-либо предмета (например, надписи), рассматриваемого через кристалл исландского шпата (рис. 344).

Кристаллы, полученные из исландского шпата, имеют обычно форму ромбоэдра — шестигранника, все грани которого являются ромбами с тупым углом 102° (рис. 345).

Рис. 345

Рис. 346

Короткая диагональ ромбоэдра является направлением оптических осей исландского шпата. Все плоскости, параллельные граням ромбоэдра, являются плоскостями спайности (см. § 51), по которым шпат легко раскалывается. Поэтому природный кристалл исландского шпата можно расколоть не только на ромбоэдры, но и на четырехгранные призмы с гранями в форме параллелограммов.

На рис. 346 показан ход лучей при двойном лучепреломлении в кристалле исландского шпата. У этого кристалла показатель преломления для обыкновенного луча больше показателе преломления для необыкновенного луча Поэтому угол преломления

обыкновенного луча меньше, чем необыкновенного но следовательно, Интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей одинаковы и равны половине интенсивности падающего (естественного) луча. При выходе из призмы эти лучи становятся параллельными и идут на небольшом расстоянии один от другого. Поэтому при не очень узком падающем пучке света пучки обыкновенных и необыкновенных лучей частично налагаются друг на друга, давая (в области наложения) неполяризованный свет (рис. 347).

Рис. 347

Исландский шпат широко используют в качестве поляризотора и анализатора во многих оптических приборах. Для этого из шпата изготовляют поляризационную призму, пропускающую только один сорт поляризованных лучей (например, необыкновенные лучи).

Наиболее распространенной поляризационной призмой является призма Николя. Для ее изготовления торцовые грани продолговатой четырехгранной призмы (выколотой из куска шпата по плоскостям спайности) сошлифовывают так, чтобы они составляли с ребрами острый угол (рис. 348).

Рис. 348

Затем призму распиливают на две части вдоль плоскости, перпендикулярной торцовым граням и главной плоскости. Отшлифовав поверхности распила, их склеивают канадским бальзамом.

Показатель преломления канадского бальзама меньше но больше Следовательно, для обыкновенного луча бальзам является средой оптически менее плотной, а для необыкновенного луча — более плотной, чем исландский шпат Поэтому обыкновенный луч, падающий на слой бальзама иод углом, большим предельного, претерпевает полное отражение (см. § 115), а необыкновенный луч при любых углах падения проходит через слой.

Если естественный луч падает на торцовую грань призмы Николя параллельно основанию призмы А В (см. рис. 348), то необыкновенный

луч проходит через призму, почти не отклоняясь от первоначального направления, а обыкновенный луч, претерпев полное отражение от слоя канадского бальзама, поглощается зачерненной поверхностью основания Таким образом, сквозь призму Николя проходит только один поляризованный луч (необыкновенный) с электрическими колебаниями в главной плоскости призмы

Явление поляризации света служит убедительным экспериментальным подтверждением поперечности световых (электромагнитных) волн, поскольку поляризоваться могут только поперечные (а не продольные) волны.

Плоская поляризация света имеет место не только при его прохождении через кристаллы, но и при преломлении и отражении на границе изотропных диэлектрических сред. В этом случае отраженный и преломленный лучи частично поляризуются во взаимно перпендикулярных плоскостях (у преломленного света электрические колебания совершаются преимущественно в плоскости падения). Степень поляризации зависит от величины угла падения. При некотором определенном угле падения (рис. 349) отраженный свет оказывается полностью поляризованным (преломленный свет остается частично поляризованным). Угол называемый углом полной поляризации, связан с относительным показателем преломления отражающей среды законом Брюстера

(при этом отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны).

Рис. 349

Отметим, что, например, для стекла , а для воды