Двойное лучепреломление

Двойное лучепреломление

ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ, распадение пучка света, идущего в анизотропной среде, на два компонента, распространяющихся с разными скоростями и поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Мерой двойного лучепреломления (в данном направлении) является разность показателей преломления двух компонентов: Δ = nе – n0. В некоторых случаях (например, в кристаллах исландского шпата) двойное лучепреломление настолько велико, что оно непосредственно обнаруживается пространственным разделением компонентов, откуда и происходит само название явления. Обыкновенно в анизотропных средах (особенно в тонких слоях) пространственное разделение не заметно, и двойное лучепреломление обнаруживается только путем соответствующего оптического анализа по различным поляризационным и хроматическим явлениям, а в окрашенных анизотропных средах - по дихроизму.

Анизотропия среды м. б. природной, как в кристаллах всех систем за исключением кубической, и случайной (иногда временной), как в стеклах, подвергаемых неравномерным механическим деформациям или закалке, или же в жидкостях, находящихся в электрическом поле, или в текущих жидкостях. Во всех случаях анизотропия сопровождается двойным лучепреломлением. Наиболее изучено (с формальной стороны) двойное лучепреломление в кристаллах, в частности в исландском шпате (СаСО3), нашедшем широкое применение при изготовлении поляризационных призм. Исландский шпат кристаллизуется в ромбоэдрах гексагональной системы; одна из наиболее часто встречающихся его форм изображена ниже. В 2 противолежащих вершинах А и В встречаются по 3 равных тупых угла по 101°53', через эти вершины проходит главная кристаллографическая и оптическая ось кристалла; при распространении света вдоль этой оси двойного лучепреломления не происходит. Плоскости, проходящие через ось или через направление, ей параллельное, и перпендикулярные к одной из граней кристалла, называются главными сечениями кристалла. Двойное лучепреломление в одноосных кристаллах происходит так, что один из лучей подчиняется законам преломления, т. е. имеет постоянный показатель преломления при любых углах падения и поляризован в плоскости главного сечения; т. о., колебания происходят в нем перпендикулярно к этой плоскости (обыкновенный луч). Второй луч законам преломления не подчиняется, и колебания его происходят в плоскости главного сечения (необыкновенный луч).

Для нахождения направления обоих лучей в кристалле можно воспользоваться простым геометрическим построением, предложенным еще Гюйгенсом. Обыкновенному лучу соответствует сферическая волна, необыкновенному - эллипсоидальная (эллипсоид вращения). Строя по принципу Гюйгенса элементарные волны, можно по огибающим эти волны двум поверхностям найти направления обоих лучей. Если в кристалле скорость обыкновенного луча больше, чем необыкновенного (т. е. сфера охватывает эллипсоид), - кристалл называется положительным (кварц, лед и т. д.); в противном случае кристаллы называются отрицательными (исландский шпат, рубин и т. д,). Одноосные кристаллы являются частным, особенно простым случаем анизотропной среды. Значительно сложнее двойное лучепреломление проявляется в двуосных кристаллах (аррагонит, слюда, гипс, сахар и т. д.) с двумя направлениями, вдоль которых двойного лучепреломления не происходит, а по остальным направлениям оба луча являются необыкновенными, т. е. не подчиняются законам преломления; в этих кристаллах наблюдается также особый случай преломления, т. н. коническая рефракция.

Особенности распространения света в кристаллах связаны с тем, что в анизотропной среде, вообще говоря, направление луча (т. е. направление распространения энергии) не совпадает с направлением нормали к волновой поверхности. Теория двойного лучепреломления, данная впервые Френелем, м. б. выведена на основании уравнений Максвелла, составленных для анизотропной среды и отнесенных к осям электрической симметрии. Если

Dvoynoe lucheprelomlenie 1

где ε1, ε2 и ε3 - диэлектрические постоянные вдоль осей электрической симметрии и с - скорость света, - то скорость v распространения в направлении волновой нормали, определяемой косинусами m, n и р, связана уравнением:

Dvoynoe lucheprelomlenie 2

(закон Френеля). Это уравнение - квадратное относительно v2, т. е. каждому данному направлению нормали соответствуют две разные скорости v. Величины А, В, С называются главными световыми скоростями. Закон Френеля и лежит в основе теории двойного лучепреломления. Распадение светового пучка на два, при распространении в анизотропной среде, связано с тем, что для каждого данного направления падающего луча существуют только два направления в среде, по которым могут распространяться поперечные волны, притом поляризованные определенным образом (разумеется, всегда возможно подобрать такой поляризованный падающий луч, который пройдет через кристалл без двойного лучепреломления).

Сумма энергий обоих лучей равна энергии падающего света (если не считать потерь при отражении). При распадении поляризованного луча на два компонента при двойном лучепреломлении, энергия компонентов выразится следующим образом: a2·sin2 α и а2·cos2 α, где α - угол, образуемый направлением колебаний первоначального луча с направлением колебаний одного из компонентов, и а2 - энергия первоначального луча (закон Малюса). Оба луча при двойном лучепреломлении поляризованного света произошли от одного, т. е. когерентны. Если каким-либо способом (например, при помощи поляризационной призмы) выделить компоненты обоих лучей с колебаниями в одной плоскости и заставить их встретиться то, благодаря когерентности, произойдет интерференция, и лучи усилят или ослабят друг друга. При освещении белым светом при этом процессе будут происходить хроматические явления, т. к. при взаимном ослаблении одних волн другие, наоборот, взаимно усиливаются. Лучи, обыкновенный и необыкновенный, распространяются в анизотропной среде с различными скоростями; поэтому по выходе из среды они обладают некоторой разностью хода. Можно достигнуть, например, разности хода в четверть волны; тогда два линейно поляризованных луча, слагаясь, образуют луч, поляризованный по кругу. Для этой цели часто применяют листочки слюды (пластинки в «четверть волны»). Интерференционные явления используются для точных определений двойного лучепреломления.

Явление двойного лучепреломления в кристаллах использовано при построении разнообразных научных и технических оптических приборов. Двойное лучепреломление в жидкостях в электрическом поле успешно применяется в последнее время для передачи изображений на расстояние, для говорящего кино и т. д. Двойное лучепреломление, появляющееся в стекле при закалке, служит удобным признаком для обнаружения опасных натяжений в стеклянной посуде, электрических лампочках и т. д. Для этой цели различными оптическими фирмами выпущены поляризационные приборы, позволяющие производить быструю качественную оценку натяжений по цвету интерференционной картины, возникающей благодаря двойному лучепреломлению. Наконец, двойное лучепреломление позволяет изучать на прозрачных моделях из стекла или целлулоида натяжения, которые возникают при различных деформациях в машинах, частях построек и т. д. Цветные картины, получаемые от таких деформируемых моделей, с помощью очень простых поляризационных приборов дают возможность быстрого качественного и количественного изучения натяжений и освобождают от сложных, иногда невыполнимых расчетов.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 6 - 1929 г.