Явление поляризации света – это оптический феномен, находящий применение в технике, но не встречающийся в повседневной жизни. Поляризованный свет буквально окружает нас, но человеческому глазу поляризация практически недоступна. Мы страдаем «поляризационной слепотой».

В своей книге «Трактат о свете» Христиан Гюйгенс описывает удивительное явление, обнаруженное им в опытах с прозрачными кристаллами исландского шпата: если про­пустить свет через кристалл шпата, то после вторичного прохождения света через такой же кристалл, при определенной ориентации све­тового луча и кристалла, луч практически полностью исчезает. Отсюда можно заключить, что в результате действия на свет первого крис­талла вышедшая из него световая волна оказывается не такой, какой она была до этого. Впоследствии французский ученый Э. Малюс назвал это явление поляризацией света.

В электромагнитной теории света поляризация световых волн объясняется следующим образом.

Естественный свет, создаваемый солнцем или какими-либо обычными источниками, например лампами, представляет собой совокупность волн, излучаемых огромным количеством атомов. В таком свете колебания вектора Е происходит по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения света (рис.22.1). Если пучок естественного света пропустить через, например, кристалл турмалина, то свет окажется поляризованным. Это связано с тем, что некоторые кристаллы (особенно турмалин) обладают свойством пропускать световые волны только в одной плоскости, совпадающей с осью симметрии кристалла и при прохождении через кристалл будет пропущена лишь та часть падающего естественного света, в которой вектор напряжённости Е ориентирован параллельно оси кристалла.

Процесс ориентации колебаний вектора Е световой волны в определённом направлении называется поляризацией .

Поляризованной волной называется такая поперечная волна, в которой колебания всех частиц происходит в одной плоскости.

Плоскость, проходящая через электрический вектор Е и направление распространения электромагнитной волны, является плоскостью поляризации (плоскостью колебаний).

Если за первым кристаллом поставить второй кристалл, то до него уже доходит поляризованный свет (рис. 22.2). При параллельном расположении осей обоих кристаллов ничего интересного не произойдёт. Если же второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным, то по мере увеличения угла между их осями интенсивность прошедшего света будет постепенно уменьшаться и при взаимоперпендикулярном расположении осей обратится в нуль. В этом случае, в падающем на второй кристалл световой волне не будет присутствовать колебания вектора Е, параллельные оси кристалла, и потому этот кристалл не пропустит свет, полностью поглотив его.

Поляризованную волну можно получить с помощью резинового шнура, если на его пути поставить преграду с тонкой щелью. Щель пропустит только те колебания, которые происходят вдоль неё (рис.22.3). Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом.

Устройство, выделяющее колебания, происходящие в одной плоскости, и позволяющее получать поляризованный свет из естественного света называется поляризатором .

Устройство, позволяющее определить плоскость поляризации (вторая щель) называется анализатором

Если на анализатор падает поляризованный луч, плоскость поляризации которого составляет угол α с плоскостью поляризации анализатора, то интенсивность прошедшего сквозь анализатор луча определяется законом Малюса (рис. 22.4):

I = I 0 cos 2 α (22.1)

Если α =π/2, то будет полное затмение поля зрения.

					F Tran
					A BB YY

F Tran

A B BYY

вые колебания, которые совершаются только в одной определенной плоскости;

направление колебаний задается поляризатором. Минерал изучается в проходящем поляризованном свете, который внешне ничем не отличается от обычного света, т. е. мы без дополнительных устройств не в состоянии определить, с каким светом имеем дело– простым или поляризованным. Для того, чтобы воспользоваться всеми преимуществами поляризованного света, необходимо использовать еще один поляризатор, который называется анализатором. Он расположен в верхней части тубуса, непосредственно перед окулярами. Анализатор можно убирать, и тогда мы рассматриваем минерал на просвет так же, как и в обычном свете. Когда же анализатор включен(николи скрещены), то наблюдаются специфические картины, зависящие от структуры минерала и его оптических свойств.

Для возможности использования поляризованного микроскопа необходимы специальные знания по кристаллооптике, т. к., используя такой микроскоп, исследователь по оптическим свойствам и явлениям, наблюдаемым только в такой микроскоп, может многое сказать о структуре минерала. Не вдаваясь в теоретические знания по кристаллооптике, мы рассмотрим некоторые практические следствия, которые можно наблюдать при работе с поляризационным микроскопом.

О ПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛОВ

Наиболее важными оптическими свойствами для идентификации минералов является оптический класс и показатель преломления.

При оптическом методе исследования применяют поляризационный микроскоп. Надо приготовить препарат из исследуемых зерен. Исследуемые зерна должны быть небольшими (при необходимости большие зерна раздавливают) – размер 0,1–0,2 мм. Они должны находится (быть погружены) в капле жидкости на предметном стекле, покрытой покровным стеклом. Иногда минералы исследуются в шлифах (тонких пластинках толщиной 0,03 мм). Пластинки наклеивают на предметное стекло специальным изотропным веществом, смолой, – канадским бальзамом и накрывают покровным стеклом. Но это больше касается изучения минералов совместно с горными породами.

Первая задача при определении минерала заключается в выяснении, к какому минеральному виду он принадлежит: является ли он корундом, цирконом, оливином или полевым шпатом. Первое предположение о природе минерала нередко можно сделать на основании его цвета, блеска и общего вида, но быть уверенным в правильности определения можно только в результате измерения той или иной его оптической или физической константы.

Прежде чем определять оптические свойства минерала, под микроскопом наблюдают его физические свойства, связанные со структурой и симметрией– это форма зерен или их обломков, спайность, трещиноватость, включения. Наличие или отсутствие спайности выявляется обычно при дроблении минерала на мелкие осколки; так минерал с хорошей спайностью образует осколки пре-

					F Tran
					A BB YY

F Tran

A B BYY

имущественно с прямыми ребрами (например, амфиболы, пироксены, полевые

шпаты и тригональные карбонаты). В некоторых случаях под микроскопом можно определить направления или углы спайности.

Изучение прозрачности

Минералы бывают прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные. Минералы, слагающие горные породы (силикаты, алюмосиликаты, реже карбонаты и фосфаты) являются прозрачными – это оливин, пироксен, амфибол, кварц, полевые шпаты, кальцит, апатит и др. Полупрозрачными называются минералы, просвечивающие в тонких сколах, например, хромшпинелиды или гематит. Непрозрачными называются минералы, не просвечивающие даже в тонких сколах, например, пирит, халькопирит, магнетит, ильменит и др.

Изучение формы зерен

Для многих минералов форма зерен и наличие спайности являются легко наблюдаемыми диагностическими признаками, поэтому с их изучения и надо начинать определение минерала. Анизотропные минералы в зависимости от типа кристаллической решетки могут иметь т а б л и т ч а т ы,е п р и з м а т и ч е - с к и е, п л а с т и н ч а т ы е, л и с т о в а т ы е, ч е ш у й ч а т ы е, и г о л ь ч а т ы е и другие формы

Исследование включений

Включения и их характер дают представление об условиях кристаллизации несущего их минерала, от которого они отличаются размерами, формой, рельефом и цветом. Включения могут быть представлены округлыми пузырьками, тонкими игольчатыми кристалликами и неправильными образованиями(при замещении). Пузырьки заполнены газом, жидкостью, иногда тем и другим вместе и даже с участием твердой фазы– мельчайших кристалликов каких-либо минералов. Точная диагностика включений требует специальной методики. Поэтому при изучении под микроскопом ограничиваются описанием их формы и размеров, ориентировки по отношению к граням или спайности, количества, равномерности распределения в минерале и определением в первом приближении.

Определение оптического класса

Анизотропные вещества легко отличить от изотропных, если наблюдать препарат с исследуемыми зернами под поляризационным микроскопом с вв - е денным анализатором .

1. Жидкость и зерна изотропного вещества будут казаться темными и останутся такими при любом повороте столика микроскопа.

2. На большей части зерен анизотропного вещества будут наблюдаться цвета интерференции, а зерна будут становиться темными(погасать) четыре раза с интервалом в 90º при полном повороте столика микроскопа.

3. Чтобы определить, является ли анизотропный минерал одноосным (минералом средних сингоний) или двуосным (минералом низших сингоний) ис-

					F Tran
					A BB YY

F Tran

A B BYY

пользуют наблюдение в сходящемся свете. Для этого применяют линзу Бертра-

на, делающей свет сходящимся. Перед определением осности среди массы зерен находят наиболее тусклое серое зерно, даже когда оно находится на45º от положения максимального погасания. При включении линзы Бертрана получают одну из характерных фигур интерференции(черный крест для одноосных минералов или одну, не уходящую при вращении столика микроскопа, ветвь гиперболы для двуосных минералов). Тут же можно определитьоптический знак минерала (положительный или отрицательный), если воспользоваться дополнительными приспособлениями – кварцевой пластинкой или кварцевым клином.

Определение показателя преломления

Отклонение направления светового луча при вхождении в другую среду называется светопреломлением . Показатель преломления может быть определен как скорость света в воздухе, деленная на скорость света в среде. Скорость света в воздухе равно300 000 км/сек. С такой же огромной скоростью идет к нам свет от Солнца и звезд. В кварце (горный хрусталь, аметист) скорость света снижается до 194 000 км/сек, а в алмазе до 124 000 км/сек. Таким образом алмаз имеет показатель преломления 300 000: 124 000 = 2,42, т. е. самый высокий по сравнению с показателями преломления всех драгоценных камней, используемых в ювелирном деле, что обусловливает сверкающий алмазный блеск камня.

Измерение величин показателя преломления является важным методом определения минералов. Для каждого минерала характерен определенный показатель или показатели преломления.

Для изотропных минералов характерен только один показатель преломления, а для анизотропных – два или три крайних значения. Свет, проходя через изотропное вещество (например, воду, стекло или изотропный минерала – гранат, шпинель, флюорит) распространяется с одинаковой скоростью по всем направлениям – показатель преломления таких веществ только один.

Также вы помните, что луч света, проходя через кальцит (или другие анизотропные вещества) распадается на два луча, колебания которых взаимно перпендикулярны. Один из лучей называют обыкновенным, а другой необыкновенным. Один из лучей будет иметь максимальный показатель преломления для данного минерала, а второй, перпендикулярный первому, – минимальный. Для минералов низших сингоний существует еще и третий показатель преломления n m , промежуточный. Чем больше разница между значениями минимального и максимального показателей преломления, тем больше у минерала двупреломление. Двупреломление в отличие от показателя преломления определить под микроскопом гораздо сложнее, т. к. этот параметр зависит от толщины зерна. Двупреломление определяют в шлифах и на рефрактометре.

Перед тем как производить точные измерения показателя преломления необходимо найти ориентированное сечение минерала(обычно он должен лежать на стекле параллельно оси симметрии), в котором можно точно определить два показателя преломления – один вдоль оси, а второй – перпендикуляр-

F Tran

P

A B BY Y

но ей. Хотя часто бывает достаточно определить, в общем, величину показателя преломления, чтобы оценить ее как высокую, среднюю или низкую.

Показатель преломления ювелирных камней (особенно в оправе) определяют при помощи рефрактометра. Незакрепленные ювелирные камни (особенно, если у них нет ровных граней) определяют при помощи иммерсионных жидкостей. При использовании этого метода зерно погружают в каплю жидкости с известным показателем преломления и накрывают покровным стеклом. Наблюдения поверхности минерала и его контактов с жидкостью покажут -на сколько показатели преломления этих двух компонентов(минерала и жидкости) различаются между собой. Чем меньше разница в показателях преломления, тем тоньше границы зерна и тем более гладкая будет его поверхность. Сведения о том, больше или меньше показатель преломления минерала по отношению к жидкости, даст оптический эффект, который называется полоска Бекке. Это световая полоска на контакте минерала и жидкости, возникает из-за разницы показателей преломления двух сред.

По направлению движения полоски Бекке можно судить о том больше или меньше показатель преломления минерала, чем показатель преломления жидкости. Для этого надо притенить изображение, немного прикрыв диафрагму, сделать большое увеличение и осторожно опускать или поднимать столик микроскопа. Если полоска Бекке при опускании столика будет двигаться на минерал, то его показатель преломления выше, чем у жидкости, если от минерала, то наоборот.

Изучение окраски минерала и плеохроизма

Это важное свойство, которым обладают окрашенные минералы. Подавляющее большинство минералов, обладающих плеохроизмом, макроскопически его не проявляют, т. к. для этого нужны специальные условия наблюдения (на просвет), а многие, прекрасно плеохроирующие минералы из-за своего темного цвета в больших зернах, не просвечивают (например, биотит и роговая обманка). Для наблюдения плеохроизма достаточно вращать столик микроскопа и наблюдать изменение цвета минерала (без анализатора).

Несмотря на то, что минерал может быть окрашен в разных породах -по разному, у него есть какой-то чаще других встречающийся цвет, который является основным. Окраска минерала, обусловленная его внутренними свойствами, называется идиохроматической, а зависящая от примесей – аллохроматической. При прохождении через любое вещество интенсивность света всегда уменьшается, т. к. свет частично поглощается этим веществом. Если все длины волн белого света поглощаются (а б с о р б и р у ю т) равномерно, то вещество будет казаться бесцветным. Если какие-то длины волн поглощаются более интенсивно,

то вещество будет казаться окрашенным. Оптически изотропные вещества обладают равномерной абсорбцией, поэтому при вращении столика микроскопа их окраска не будет изменяться. Однако чаще всего мы имеем дело с оптически анизотропными средами, обладающими избирательной абсорбцией. Такая и з-

* Окраска является результатом суммы всех длин волн света, прошедших через данное вещество;

Двойное лучепреломление существует в естественно анизотропных телах. Однако существуют различные способы искусственной оптической анизотропии  сообщение оптической анизотропии естественно изотропным веществам.

5.1. Фотоупругость

Тело под влиянием механической деформации ста­новится оптически анизотропным. Например, при одностороннем сжатии или растяжении пластинка из прозрачного материала приобретает свойства одноосно­го кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением сжа­тия или растяжения. Разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси, пропорциональна нормальному напряжению σ

(8)

где χ 1  коэффициент, зависящий от свойств вещества; k  порядок интерференционной полосы;  напряжение.

5.2. Ячейка Керра

Возникновение двойного лучепреломления в газах, жидкостях и в аморфных твердых телах (диэлектриках) под воздействием сильного однородного электрического поля называется эффектом Керра . Это явление впервые было обнаружено шотландским физиком Д. Керром в 1875 году.

На пути l (длина пластины конденсатора) между обыкновенным и не­обыкновенным лучами возникает оптическая разность хода

где  2 – коэффициент пропорциональности; В – постоянная Керра, зависящая от природы вещества, его температуры и длины волны света в вакууме.

Эффект Керра объясняется различной поляризуемостью молекул вещества по различным направлениям. Это явление практически безинер­ционно, т.е. переход вещества из изотропного состояния в анизотроп­ное при включении поля происходит приблизительно за 10 -10 с. Поэтому ячейка Керра служит идеальным световым затвором и применяется в быстропротекающих процессах (в скоростной фото- и киносъемке и т.д.)

5.3. Вращение плоскости поляризации

Некоторыеоптически активные вещества обладают способностью вращать плоскость поляризации прохо­дя­щего через них плоско поляри­зо­ванного света. К ним относятся твер­дые тела (кварц, сахар, киноварь), чистые жидкости (ски­пидар, никотин, винная кислота) и растворы оптически активных веществ (сахар, спирт и т.д.).

Вращение плоскости поля­ри­зации можно наблюдать на сле­дующем опыте. Если между скре­щенными поляризатором и ана­лизатором поместить опти­чес­ки активное вещество, то по­ле зрения анализатора про­све­тля­ется. При повороте ана­ли­за­то­ра на угол φ можно вновь по­лу­­чить темное поле зрения. В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорциона­лен пути света в растворе l и концентрации активного вещества С :

, (10)

где [φ 0 ]  удельное вращение.

Оптически активные вещества в зависимости от направления вра­щения плоскости поляризации подразделяются на правовращающие и левовращающие .

Явление вращения плоскости поляризации в растворах лежит в основе сертификации продуктов. Это явление используется, например, для точного определения концентрации растворов оптически активных веществ (поляриметрия ).

Оптически неактивные вещества приобретает способность вращать плоскость поляризации под действием магнитного поля. Это явление было обнаружено М. Фарадеем и получило название эффекта Фарадея . Этот эффект имеет огромное значение для науки, так как в нем об­наруживается связь между оптическими и электромагнитными процес­сами.

Многие люди считают световую поляризацию феноменальным явлением, которое имеет широкое распространение и применение в технике и практически никогда не встречается в повседневной жизни. На самом деле такое утверждение является не совсем корректным, что было доказано в статье нидерландского физика Г. Кеннена.

Общее понятие

С научной точки зрения, поляризация света - это ориентированность в пространстве световых колебаний, являющихся перпендикулярными относительно направления движения волны. Световой луч состоит из множества простейших элементов, которые называются квантами. Направление их колебаний может быть самым разнообразным. В том случае, когда кванты отличаются идентичной ориентацией, световой поток называется поляризованным. В зависимости от доли таких частиц в том или ином излучении меняется степень поляризации.

Фильтры

Существует ряд фильтров, которые способны пропускать лишь лучи с определённой ориентацией. Если смотреть через них на поляризованный световой поток и одновременно поворачивать, будет меняться яркость. В том случае, когда поляризация света будет совпадать с направлением пропускания, она станет максимальной, а при полном расхождении - минимальной. Приобрести такие фильтры можно в обычных магазинах, специализирующихся на продаже фототехники. При взгляде через них на чистое небо, при условии что Солнце находится сбоку, в определенный момент во время поворачивания станет видна полоса чёрного цвета. Она является доказательством того, что исходящие от этого участка неба световые волны являются поляризованными.

Фигура Гайдингера

В своё время, известный физик из СССР С. И. Вавилов провёл исследования, по результатам которых выдвинул интересную теорию. Согласно ей, поляризация света видна без каких-либо вспомогательных устройств примерно каждому четвёртому человеку на планете. При этом большинство из этих людей даже не подозревают о наличии такой особенности у собственного зрения. При взгляде на то же голубое небо в центре их поля зрения появляется едва заметная жёлтая полоска со слегка закруглёнными концами. Посередине и на краях также есть бледные пятнышки голубоватого цвета. При поворачивании плоскости поляризации полоса также поворачивается, ведь относительно направления световых колебаний она всегда является перпендикулярной. В науке это явление известно как фигура Гайдингера. Она названа в честь немецкого физика, который открыл ее в 1845 году. Если хоть раз её заметить, способность видеть это пятнышко можно развивать. Следует отметить, что при использовании синего либо зелёного светофильтра фигура Гайдингера видна довольно чётко.

Примеры поляризации света и способ её устранения

Поляризация света, источником которого является чистое небо, - это лишь самый простой и широко использующийся пример этого явления. Другими довольно распространёнными случаями можно назвать блики, что лежат на стеклянных витринах и поверхности воды. При необходимости устранить их можно при помощи специальных поляроидных фильтров, которыми чаще всего пользуются фотографы. Они становятся незаменимыми, если нужно запечатлеть на фото какие-либо защищённые стеклом картины либо музейные экспонаты. Принцип их действия основан на том факте, что любой отражённый свет в зависимости от угла своего падения имеет ту или иную степень поляризации. Таким образом, при взгляде на блик можно без труда подобрать такой угол расположения фильтра, при котором он будет подавлен, вплоть до полного исчезновения. Аналогичного принципа придерживаются производители качественных противосолнечных очков. Благодаря использованию в их стекле поляроидных фильтров можно убрать мешающие блики, исходящие от поверхности мокрого шоссе либо морской поверхности.

Закон Умова

Любой рассеянный свет с неба представляет собой солнечные лучи, которые претерпели многочисленные отражения от молекул воздуха, а также не раз переломились в ледяных кристаллах либо каплях воды. Вместе с этим, процесс поляризации характерен не только для направленного отражения (к примеру, от воды), но и для диффузного. В 1905 году было доказано, что чем темнее поверхность, от которой отражается световая волна, тем большей является степень поляризации. В историю это вошло, как закон Умова, названный в честь физика, которому удалось доказать эту зависимость. Если рассмотреть её на элементарном примере с асфальтным шоссе, то получается, что во влажном состоянии оно является более поляризованным, чем в сухом виде.

Применение в истории

Несмотря на то что впервые явление поляризации было открыто в 1871 году учёным удалось подробно его объяснить лишь в средине прошлого века. Как бы там ни было, есть исторические сведения, что оно использовалось викингами-моряками для навигации более одной тысячи лет тому назад. В большинстве случаев главным ориентиром для них служило солнце. Однако в облачную погоду они пользовались так называемым солнечным камнем. Есть все основания предполагать, что он представлял собой некий прозрачный минерал, что имел поляризационные свойства. Ориентиром при этом являлась появляющаяся на небе более тёмная полоса. Чтобы доказать предположение историков и действенность такого рода навигации, некоторое время назад норвежский лётчик совершил полёт на небольшом самолёте из родной страны в Гренландию, используя в виде ориентира лишь кристалл кордиерита - минерала с аналогичными солнечному камню характеристиками.

Поляризация и насекомые

Поляризация света видна многим насекомым. Особенно это касается пчёл и муравьёв, которые в облачную погоду благодаря такой своей особенности могут ориентироваться на местности и без труда возвращаться в места обитания. Такая способность достигается за счет строения зрительной системы. В то время как в глазе человека и любого другого млекопитающего животного светочувствительные молекулы располагаются беспорядочно, у насекомых они ориентированы в одном направлении и лежат в аккуратных рядах.

Поляризация некоторых оптических явлений и небесных объектов

Поляризационные эффекты характерны и для таких интересных природных явлений, как гало (светящиеся дуги, которые время от времени появляются вокруг солнца либо луны), радуга и отдельные виды полярного сияния. Это связано с тем, что во всех указанных случаях одновременно происходит отражение света и его преломление. Другими словами, если вращать фильтр и смотреть сквозь него на радугу, в определённый момент она станет практически невидимой. Что касается поляризации некоторых астрономических тел, то самым ярким её примером стала крабовидная туманность, которая наблюдается в созвездии Тельца. Дело в том, что испускаемые ею световые излучения возникают во время торможения магнитным полем стремительно летящих электронов.

Круговая поляризация

Некоторые из разновидностей жуков, спинки которых обладают металлическим блеском, способны отражать лучи и направлять их по кругу. Это явление так и называется - круговая поляризация света. Если рассмотреть через фильтр металлический отблеск от спинок этих насекомых, то можно увидеть, что он всегда закручен в левую сторону. До нашего времени учёным так и не удалось объяснить, в чём заключается биологический смысл данного явления.

Доктор технических наук А. ГОЛУБЕВ.

Две совершенно одинаковые пластинки из слегка затемнённого стекла или гибкого пластика, сложенные вместе, практически прозрачны. Но стоит повернуть какую-нибудь одну на 90 о, как перед глазом окажется сплошная чернота. Это может показаться чудом: ведь каждая пластинка прозрачна при любом повороте. однако внимательный взгляд обнаружит, что при определённых углах её поворота блики от воды, стекла и полированных поверхностей исчезают. Это же можно наблюдать, рассматривая экран компьютерного ЖК-монитора через пластинку: при её повороте яркость экрана меняется и при определённых положениях гаснет совсем. «Виновник» всех этих (и многих других) любопытных явлений - поляризованный свет. Поляризация - это свойство, которым могут обладать электромагнитные волны, в том числе видимый свет. Поляризация света имеет множество интересных применений и заслуживает того, чтобы о ней поговорить подробнее.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Механическая модель линейной поляризации световой волны. Щель в заборе пропускает колебания верёвки только в вертикальной плоскости.

В анизотропном кристалле световой луч расщепляется на два, поляризованные во взаимно-перпендикулярных (ортогональных) направлениях.

Обыкновенный и необыкновенный лучи пространственно совмещены, амплитуды световых волн одинаковы. При их сложении возникает поляризованная волна.

Так свет проходит через систему из двух поляроидов: а - когда они параллельны; б - скрещены; в - расположены под произвольным углом.

Две равные силы, приложенные в точке А во взаимно-перпендикулярных направлениях, заставляют маятник двигаться по круговой, прямолинейной или эллиптической траектории (прямая - это «вырожденный» эллипс, а окружность - его частный случай).

Наука и жизнь // Иллюстрации

Физпрактикум. Рис. 1.

Физпрактикум. Рис. 2.

Физпрактикум. Рис. 3.

Физпрактикум. Рис. 4.

Физпрактикум. Рис. 5.

Физпрактикум. Рис. 6.

Физпрактикум. Рис. 7.

Физпрактикум. Рис. 8.

Физпрактикум. Рис. 9.

В природе существует множество колебательных процессов. Один из них - гармонические колебания напряжённостей электрического и магнитного полей, образующие переменное электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Волны эти поперечные - векторы е и н напряжённостей электрического и магнитного полей взаимно-перпендикулярны и колеблются поперек направления распространения волны.

Электромагнитные волны условно разделяют на диапазоны по длинам волн, образующих спектр. Наибольшую его часть занимают радиоволны с длиной волны от 0,1 мм до сотен километров. Небольшой, но очень важный участок спектра - оптический диапазон. Он делится на три области - видимую часть спектра, занимающую интервал приблизительно от 0,4 мкм (фиолетовый свет) до 0,7 мкм (красный свет), ультрафиолетовую (УФ) и инфракрасную (ИК), невидимые глазом. Поэтому поляризационные явления доступны непосредственному наблюдению только в видимой области.

Если колебания вектора напряжённости электрического поля е световой волны поворачиваются в пространстве случайным образом, волна называется неполяризованной, а свет - естественным. Если эти колебания происходят только в одном направлении, волна линейно-поляризована. Неполяризованную волну в линейно-поляризованную превращают при помощи поляризаторов - устройств, пропускающих колебания только одного направления.

Попробуем изобразить этот процесс более наглядно. Представим себе обычный деревянный забор, в одной из досок которого прорезана узкая вертикальная щель. Проденем сквозь эту щель верёвку; её конец за забором закрепим и начнём верёвку встряхивать, заставляя её колебаться под разными углами к вертикали. Вопрос: а как будет колебаться верёвка за щелью?

Ответ очевиден: за щелью верёвка станет колебаться только в вертикальном направлении. Амплитуда этих колебаний зависит от направления приходящих к щели смещений. Вертикальные колебания пройдут сквозь щель полностью и дадут максимальную амплитуду, горизонтальные - щель не пропустит совсем. А все другие, «наклонные», можно разложить на горизонтальную и вертикальную составляющие, и амплитуда будет зависеть от величины вертикальной составляющей. Но в любом случае за щелью останутся только вертикальные колебания! То есть щель в заборе - это модель поляризатора, преобразующего неполяризованные колебания (волны) в линейно-поляризованные.

Вернёмся к свету. Получить из естественного, неполяризованного света линейно-поляризованный можно несколькими способами. Наиболее часто применяют полимерные плёнки с длинными молекулами, ориентированными в одном направлении (вспомним про забор с щелью!), призмы и пластинки, обладающие двойным лучепреломлением, или оптической анизотропией (неодинаковости физических свойств по различным направлениям).

Оптическая анизотропия наблюдается у многих кристаллов - турмалина, исландского шпата, кварца. Само явление двойного лучепреломления заключается в том, что луч света, падающий на кристалл, разделяется в нём на два. При этом показатель преломления кристалла для одного из этих лучей постоянен при любом угле падения входного луча, а для другого зависит от угла падения (то есть для него кристалл анизотропен). Это обстоятельство настолько поразило первооткрывателей, что первый луч назвали обыкновенным, а второй - необыкновенным. И весьма существенно, что эти лучи линейно-поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях.

Заметим, что в таких кристаллах существует одно направление, по которому двойного преломления не происходит. Это направление называется оптической осью кристалла, а сам кристалл - одноосным. Оптическая ось - это именно направление, все идущие вдоль него линии обладают свойством оптической оси. Известны также двухосные кристаллы - слюда, гипс и другие. В них также происходит двойное преломление, но оба луча оказываются необыкновенными. В двухосных кристаллах наблюдаются более сложные явления, которых мы касаться не станем.

В некоторых одноосных кристаллах обнаружилось ещё одно любопытное явление: обыкновенный и необыкновенный лучи испытывают существенно различное поглощение (это явление назвали дихроизмом). Так, в турмалине обыкновенный луч поглощается практически полностью уже на пути около миллиметра, а необыкновенный проходит весь кристалл насквозь почти без потерь.

Двоякопреломляющие кристаллы применяют для получения линейно-поляризованного света двумя способами. В первом используют кристаллы, не обладающие дихроизмом; из них изготавливают призмы, составленные из двух треугольных призм с одинаковой или перпендикулярной ориентацией оптических осей. В них либо один луч отклоняется в сторону, так что из призмы выходит только один линейно-поляризованный луч, либо выходят оба луча, но разведённые на большой угол. Во втором способе используются сильнодихроичные кристаллы, в которых один из лучей поглощается, или тонкие плёнки - поляроиды в виде листов большой площади.

Возьмём два поляроида, сложим их и посмотрим сквозь них на какой-нибудь источник ес-тественого света. Если оси пропускания обоих поляроидов (то есть направления, в которых они поляризуют свет) совпадают, глаз увидит свет максимальной яркости; если они перпендикулярны, свет практически полностью погасится.

Свет от источника, пройдя через первый поляроид, окажется линейно-поляризованным вдоль его оси пропускания и в первом случае свободно пройдёт через второй поляроид, а во втором случае не пройдёт (вспомним пример с щелью в заборе). В первом случае говорят, что поляроиды параллельны, во втором - что поляроиды скрещены. В промежуточных случаях, когда угол между осями пропускания поляроидов отличается от 0 или 90о, мы получим и промежуточные значения яркости.

Пойдём дальше. В любом поляризаторе входящий свет расщепляется на два пространственно разделённых и линейно-поляризованных во взаимно-перпендикулярных плоскостях луча - обыкновенный и необыкновенный. А что будет, если не разделять пространственно обыкновенный и необыкновенный лучи и не гасить один из них?

На рисунке показана схема, реализующая этот случай. Свет определённой длины волны, прошедший через поляризатор Р и ставший линейно-поляризованным, падает под углом 90 о на пластинку П, вырезанную из одноосного кристалла параллельно его оптической оси ZZ. В пластинке распространяются две волны - обыкновенная и необыкновенная - в одном направлении, но с разной скоростью (поскольку для них различны показатели преломления). Необыкновенная волна поляризована вдоль оптической оси кристалла, обыкновенная - в перпендикулярном направлении. Предположим, что угол а между направлением поляризации падающего на пластинку света (осью пропускания поляризатора Р) и оптической осью пластинки равен 45 о и амплитуды колебаний обыкновенной и необыкновенной волн А о и А е равны. Это случай сложения двух взаимно-перпендикулярных колебаний с одинаковыми амплитудами. Посмотрим, что получится в результате.

Для наглядности обратимся к механической аналогии. Есть маятник, к нему прикреплена трубочка с вытекающими из неё тонкой струйкой чернилами. Маятник колеблется в строго фиксированном направлении, и чернила рисуют прямую линию на листе бумаги. Теперь мы толкнём его (не останавливая) в направлении, перпендикулярном плоскости качания, так, что размах его колебаний в новом направлении стал таким же, как и в начальном. Таким образом, мы имеем два ортогональных колебания с одинаковыми амплитудами. Что нарисуют чернила, зависит от того, в какой точке траектории АОВ находился маятник, когда мы его толкнули.

Предположим, что мы толкнули его в тот момент, когда он занимал крайнее левое положение, в точке А. Тогда на маятник подействуют две силы: одна в направлении первоначального движения (к точке О), другая - в перпендикулярном направлении АС. Поскольку эти силы одинаковы (амплитуды перпендикулярных колебаний равны), маятник пойдет по диагонали AD. Его траекторией станет прямая линия, идущая под углом 45 о к направлениям обоих колебаний.

Если толкнуть маятник, когда он находится в крайнем правом положении, в точке В, то из аналогичных рассуждений ясно, что его траекторией будет тоже прямая, но повёрнутая на 90 о. Если толкнуть маятник в средней точке О, конец маятника опишет круг, а если в какой-то произвольной точке - эллипс; причём его форма зависит от того, в какой именно точке толкнули маятник. Следовательно, круг и прямая - частные случаи эллиптического движения (прямая - это «вырожденный» эллипс).

Результирующее колебание маятника, совершаемое по прямой линии, - модель линейной поляризации. Если его траектория описывает окружность, колебание называется поляризованным по кругу или циркулярно-поляризованным. В зависимости от направления вращения, по часовой стрелке или против неё, говорят соответственно о право- или левоциркулярной поляризации. Наконец, если маятник описывает эллипс, колебание называется эллиптически-поляризованным, и в этом случае тоже различают правую или левую эллиптическую поляризацию.

Пример с маятником даёт наглядное представление, какую поляризацию получит колебание, возникающее при сложении двух взаимно-перпендикулярных линейно-поляризованных колебаний. Возникает вопрос: что служит аналогом задания второго (перпендикулярного) колебания в различных точках траектории маятника для световых волн?

Им служит разность фаз φ обыкновенной и необыкновенной волн. Толчку маятника в точке А соответствует нулевая разность фаз, в точке В - разность фаз 180 о, в точке О - 90 о, если маятник проходит через эту точку слева направо (от А к В), или 270 о, если справа налево (от В к А). Следовательно, при сложении световых волн с ортогональными линейными поляризациями и одинаковыми амплитудами поляризация результирующей волны зависит от разности фаз складываемых волн.

Из таблицы видно, что при разности фаз 0 о и 180 о эллиптическая поляризация превращается в линейную, при разности 90 о и 270 о - в круговую с разными направлениями вращения результирующего вектора. А эллиптическую поляризацию можно получить сложением двух ортогональных линейно-поляризованных вол и при разности фаз 90 о или 270 о, если у этих волн различные амплитуды. Кроме того, циркулярно-поляризованный свет можно получить вообще без сложения двух линейно-поляризованных волн, например при эффекте Зеемана - расщеплении спектральных линий в магнитном поле. Неполяризованный свет частотой v, пройдя через приложенное в направлении распространения света магнитное поле, расщепляется на две компоненты с левой и правой циркулярными поляризациями и симметричными относительно ν частотами (ν - ∆ν) и (ν + ∆ν).

Весьма распространённый способ получения различных видов поляризации и их преобразования - использование так называемых фазовых пластинок из двоякопреломляющего материала c показателями преломления n o и n e . Толщина пластинки d подобрана так, что на её выходе разность фаз между обыкновенной и необыкновенной компонентами волны равна 90 или 180 о. Разности фаз 90 о соответствует оптическая разность хода d(n o - n e), равная λ/4, а разности фаз 180 о - λ/2, где λ - длина волны света. Эти пластинки так и называются - четвертьволновая и полуволновая. Пластинку толщиной в одну четвёртую или половину длины волны изготовить практически невозможно, поэтому тот же результат получают с более толстыми пластинками, дающими разность хода (kλ + λ/4) и (kλ + λ/2), где k - некоторое целое число. Четвертьволновая пластинка превращает линейно-поляризованный свет в эллиптически-поляризованный; если же пластинка полуволновая, то на её выходе получается также линейно-поляризованный свет, но с направлением поляризации, перпендикулярным входящему. Разность фаз в 45 о даст циркулярную поляризацию.

Если между параллельными или скрещёнными поляроидами поместить двоякопреломляющую пластинку произвольной толщины и посмотреть через эту систему на белый свет, то мы увидим, что поле зрения стало цветным. Если толщина пластинки неодинакова, возникают разноцветные участки, потому что разность фаз зависит от длины волны света. Если один из поляроидов (все равно, какой) повернуть на 90 о, цвета изменятся на дополнительные: красный - на зелёный, жёлтый - на фиолетовый (в сумме они дают белый свет).

Поляризованный свет предлагали использовать для защиты водителя от слепящего света фар встречного автомобиля. Если на ветровое стекло и фары автомобиля нанести плёночные поляроиды с углом пропускания 45 о, например вправо от вертикали, водитель будет хорошо видеть дорогу и встречные машины, освещённые собственными фарами. Но у встречных автомобилей поляроиды фар окажутся скрещёнными с поляроидом ветрового стекла данного автомобиля, и свет фар встречных машин погаснет.

Два скрещённых поляроида составляют основу многих полезных устройств. Через скрещённые поляроиды свет не проходит, но, если поместить между ними оптический элемент, поворачивающий плоскость поляризации, можно открыть свету дорогу. Так устроены быстродействующие электрооптические модуляторы света. Между скрещёнными поляроидами помещается, например, двоякопреломляющий кристалл, на который подаётся электрическое напряжение. В кристалле в результате взаимодействия двух ортогональных линейно-поляризованных волн свет становится эллиптически-поляризованным с составляющей в плоскости пропускания второго поляроида (линейный электрооптический эффект, или эффект Поккельса). При подаче переменного напряжения будет периодически меняться форма эллипса и, следовательно, величина проходящей через второй поляроид составляющей. Так осуществляется модуляция - изменение интенсивности света с частотой приложенного напряжения, которая может быть очень высокой - до 1 гигагерца (10 9 Гц). Получается затвор, прерывающий свет миллиард раз в секунду. Эго используют во многих технических устройствах - в электронных дальномерах, оптических каналах связи, лазерной технике.

Известны так называемые фотохромные очки, темнеющие на ярком солнечном свету, но не способные защитить глаза при очень быстрой и яркой вспышке (например, при электросварке) - процесс затемнения идёт сравнительно медленно. Поляризационные очки на эффекте Поккельса обладают практически мгновенной «реакцией» (менее 50 мкс). Свет яркой вспышки поступает на миниатюрные фотоприемники (фотодиоды), подающие электрический сигнал, под действием которого очки становятся непрозрачными.

Поляризационные очки используют в стереокино, дающем иллюзию объёмности. В основе иллюзии лежит создание стереопары - двух изображений, снятых под разными углами, соответствующими углам зрения правого и левого глаза. Их рассматривают так, чтобы каждый глаз видел только предназначенный для него снимок. Изображение для левого глаза проецируют на экран через поляроид с вертикальной осью пропускания, а для правого - с горизонтальной осью и точно совмещают их на экране. Зритель смотрит через поляроидные очки, в которых ось левого поляроида вертикальна, а правого горизонтальна; каждый глаз видит только «своё» изображение, и возникает стереоэффект.

Для стереоскопического телевидения применяется способ быстрого попеременного затемнения стёкол очков, синхронизированного со сменой изображений на экране. За счёт инерции зрения возникает объёмное изображение.

Поляроиды широко применяются для гашения бликов от стёкол и полированных поверхностей, от воды (отраженный от них свет сильно поляризован). Поляризован и свет экранов жидкокристаллических мониторов.

Поляризационные методы используются в минералогии, кристаллографии, геологии, биологии, астрофизике, метеорологии, при изучении атмосферных явлений.

Литература

Жевандров Н. Д. Поляризация света. - М.: Наука, 1969.

Жевандров Н. Д. Анизотропия и оптика. - М.: Наука, 1974.

Жевандров Н. Д. Применение поляризованного света. - М.: Наука, 1978.

Шерклифф У. Поляризованный свет / Пер. с англ. - М.: Мир, 1965.

Физпрактикум

ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ МИР

О свойствах поляризованного света, самодельных полярископах и о прозрачных предметах, начинающих переливаться всеми цветами радуги, журнал уже писал (см. «наука и жизнь» № ). Рассмотрим этот же вопрос с использованием новых технических устройств.

Любое устройство с цветным ЖК (жидкокристаллическим) экраном- монитор, ноутбук, телевизор, DVD-плеер, карманный компьютер, смартфон, коммуникатор, телефон, электронную фоторамку, MP3-плеер, цифровой фотоаппарат - можно использовать в качестве поляризатора (прибора, создающего поляризованный свет).

Дело в том, что сам принцип работы ЖК-монитора основан на обработке поляризованного света (1). Более подробное описание работы можно найти на http://master-tv.com/ , а для нашего физпрактикума важно то, что если мы засветим экран белым светом, например, нарисовав белый квадрат или сфотографировав белый лист бумаги, то получим плоскополяризованный свет, на фоне которого мы и будем производить дальнейшие опыты.

Интересно, что, приглядевшись к белому экрану при большом увеличении, мы не увидим ни одной белой точки (2) - всё многообразие оттенков получается комбинацией оттенков красного, зелёного и синего цветов.

Может быть, по счастливой случайности наши глаза тоже используют три вида колбочек, реагирующих на красный, зелёный и синий цвета так, что при правильном соотношении основных цветов мы воспринимаем эту смесь как белый цвет.

Для второй части полярископа - анализатора - подойдут поляризованные очки фирмы «Polaroid», они продаются в магазинах для рыболовов (уменьшают блики от водной поверхности) или в автомагазинах (убирают блики от стеклянных поверхностей). Проверить подлинность таких очков очень просто: поворачивая очки относительно друг друга, можно практически полностью перекрыть свет (3).

И, наконец, можно сделать анализатор из ЖК дисплейчика от испорченных электронных часов или других изделий с чёрно-белыми экранами(4). При помощи этих несложных приспособлений можно увидеть немало интересного, а если поставить анализатор перед объективом фотоаппарата - сохранить удачные кадры (5).

Предмет из абсолютно прозрачной пластмассы - линейка (8), коробочка для CD-дисков (9) или сам «нулевой» диск (см. снимок на первой странице обложки), - помещённый между ЖК-экраном и анализатором, приобретает радужную окраску. Геометрическая фигурка из целлофана, снятого с сигаретной пачки и положенная на листок того же целлофана, становится цветной (6). А если повернуть анализатор на 90 градусов, все цвета изменятся на дополнительные - красный станет зелёным, жёлтый - фиолетовым, оранжевый - синим (7).

Причина этого явления в том, что прозрачный для естественного света материал на самом деле неоднороден, или, что то же самое, анизотропен. Его физические свойства, в том числе показатели преломления разных участков предмета, неодинаковы. Световой луч в нём расщепляется на два, которые идут с разными скоростями и поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Интенсивность поляризованного света, результат сложения двух световых волн, при этом не изменится. Но анализатор вырежет из него две плоско-поляризованные волны, колеблющиеся в одной плоскости, которые станут интерферировать (см. «Наука и жизнь» № 1, 2008 г.). Малейшее изменение толщины пластинки или напряжений в её толще приводит к появлению разности хода волн и возникновению окраски.

В поляризованном свете очень удобно изучать распределение механических напряжений в деталях машин и механизмов, строительных конструкциях. Из прозрачной пластмассы делают плоскую модель детали (балки, опоры, рычага) и прикладывают к ней нагрузку, моделирующую реальную. Разноцветные полосы, возникающие в поляризованном свете, указывают на слабые места детали (острый угол, сильный изгиб и пр.) - в них концентрируются напряжения. Меняя форму детали, добиваются наибольшей её прочности.

Проделать такое исследование несложно и самим. Из органического стекла (желательно однородного) можно вырезать, скажем, модель гака (крюка для подъёма груза), подвесить её перед экраном, нагружать гирьками разного веса на проволочных петельках и наблюдать, как в ней меняется распределение напряжений.