Polaryzacja światła przy podwójnym załamaniu

Dwie wiązki światła otrzymywane przy załamaniu podwójnym - czy to wiązki nadzwyczajne i zwyczajne w krysztale jednoosiowym, czy też wiązki nadzwyczajne w kryształach dwuosiowych - mają po wyjściu z kryształów pewne cechy, których nie ma wiązka pierwotna. Żeby wykazać istnienie tych cech, rzućmy wiązkę światła ze źródła L prostopadle na płasko-równoległą płytkę ze szpatu islandzkiego K₁ (rys.1a). Wiązka rozdziela się na dwie wiązki - zwyczajną i nadzwyczajną. Jeśli kryształ zaczniemy obracać dokoła promienia zwyczajnego, wiązka nadzwyczajna zatoczy okrąg, natężenie jej jednak pozostaje bez zmian.

Inaczej będzie, jeśli w ten sam sposób potraktujemy promień zwyczajny wychodzący z płytki K₁, tzn. rzucimy go na drugi kryształ szpatu, też w formie płytki K₂, zasłaniając promień nadzwyczajny odpowiednią przysłoną P₂. Promień ten znów rozdziela się na wiązki: zwyczajną i nadzwyczajną (rys.1a). Przy obrocie drugiego kryształu wiązka nadzwyczajna znów zatacza okrąg, ale tym razem w miarę obrotu zauważymy periodyczną zmianę natężeń obu wiązek.

W pewnym położeniu drugiego kryształu obie wiązki są jednakowo jasne: przy dalszym obrocie zauważymy zaciemnienie wiązki nadzwyczajnej, a rozjaśnienie zwyczajnej. Wreszcie wiązka nadzwyczajna znika, a pozostaje tylko zwyczajna. Następnie pojawia się znów wiązka nadzwyczajna, a wiązka zwyczajna staje się nieco słabsza. Dalej dochodzimy do położenia, gdy wiązka nadzwyczajna zostaje, a wiązka zwyczajna wygasa itd., ilustruje to rys 1b.

Opisane tu zmiany natężenia stanowią cechę wyróżniającą wiązkę zwyczajną w stosunku do światła zwykłego. Wiązka ta nabiera mianowicie pewnych cech symetrii dokoła swego kierunku rozchodzenia się. Dają się zauważyć dwie prostopadłe do siebie płaszczyzny symetrii, które rzucają się od razu w oczy przy oglądaniu rys.1b

Zupełnie analogicznie zachowuje się wiązka nadzwyczajna. I ona ulega rozszczepieniu na dwie wiązki po przejściu przez drugi kryształ rys.1c, przy czym przy obrocie kryształów znów stwierdzamy periodyczne zmiany natężenia przedstawione na rys.

I w tym przypadku zatem stwierdzamy istnienie cech symetrii, tym razem dla promienia nadzwyczajnego, oraz występowanie tych samych dwóch prostopadłych do siebie płaszczyzn symetrii. Jednakże, jak wynika z porównania rysunków 1b i 1c, role tych płaszczyzn dla promienia zwyczajnego i nadzwyczajnego nie są jednakowe. Temu samemu położeniu drugiego kryształu odpowiada dla wiązki zwyczajnej wygaszanie wiązki nadzwyczajnej wtórnej, a rozjaśnianie zwyczajnej wtórnej, natomiast dla wiązki nadzwyczajnej - odwrotnie: rozjaśnianie wiązki nadzwyczajnej wtórnej, a wygaszanie zwyczajnej wtórnej.

Analogiczny rozkład natężeń dla wiązki nadzwyczajnej otrzymamy obracając pierwszy kryształ o 90. Bliższe rozpatrzenie tych stosunków wykazuje, że pionowa płaszczyzna symetrii odgrywa dla wiązki zwyczajnej taką rolę, jak pozioma dla nadzwyczajnej i odwrotnie.

Polaryzacja światła przez odbicie

W roku 1808 fizyk francuski E.L. Malus stwierdził, że światło odbite od powierzchni szkła czy też innego dielektryka nabiera pewnych właściwości osobliwych, jakie objął mianem polaryzacji. Malus zauważył, że jeśli wiązkę odbitą od szyby szklanej rzucimy pod tym samym kątem na drugą szybę, to natężenie wiązki powtórnie odbitej zależy od kąta, który tworzą ze sobą płaszczyzny padania światła na pierwszą i drugą płytkę. Największe natężenie wiązki powtórnie odbitej od drugiej szyby uzyskujemy wówczas, gdy te płaszczyzny padania są do siebie równoległe (rys. 2a). Gdy zaczniemy je skręcać względem siebie, natężenie wiązki odbitej maleje i staje się najmniejsze, gdy płaszczyzny są do siebie prostopadłe (rys.2b). Przy dalszym obrocie natężenie znów wzrasta aż do wartości kąta 180⁰,następnie znów maleje.

Wiązkę promieni odbitych od powierzchni szkła można zbadać za pomocą nikola N (rys.3.). Przy obrocie nikola dokoła kierunku promienia odbitego stwierdzamy zmianę natężenia wiązki przechodzącej, co świadczy o tym, że światło jest na ogół częściowo spolaryzowane. Największe natężenie wiązki przechodzącej otrzymujemy wówczas, gdy płaszczyzna polaryzacji nikola jest równoległa do płaszczyzny padania.

Gdy zmieniamy kąt padania, stopień polaryzacji światła odbitego również ulega zmianom. A zatem istnieje tylko jeden kąt padania taki, że światło odbite pod tym kątem jest całkowicie spolaryzowane liniowo. D. Brewster wykrył bardzo prostą zależność między kątem padania, przy którym światło odbite jest całkowicie spolaryzowane, a współczynnikiem załamania ciała odbijającego światło. Stwierdził on, że całkowita polaryzacja światła odbitego występuje wówczas, gdy promień odbity jest prostopadły do załamanego rys.4. Oznaczmy kąt załamania przez  Z rysunku widać, że

^

znajdujemy zatem

sin/sin(^) = tg = n

Jest to wzór Brewstera, określający kąt odbicia, przy którym następuje całkowita polaryzacja.

Polaryzacja światła przy załamaniu

Rzućmy wiązkę światła na płasko - równoległą płytkę szklaną P (rys. 5). Wiązka odbita będzie na ogół częściowo spolaryzowana liniowo, będzie więc w niej pewien uprzywilejowany kierunek drgań. Wobec tego i wiązka przechodząca przez płytkę musi być również częściowo spolaryzowana, co można sprawdzić za pomocą nikola N. Okazuje się wówczas, że wiązka przechodząca jest częściowo spolaryzowana w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny padania.

W wiązce załamanej, inaczej niż dla promieniowania odbitego, otrzymamy dla każdego kąta padania polaryzację częściową, jeśli tylko światło padające na płytkę jest niespolaryzowane. Jeśli natomiast na płytkę rzucamy światło spolaryzowane albo w płaszczyźnie padania, albo też w płaszczyźnie do niej prostopadłej, to polaryzacja światła przechodzącego przez płytkę nie zmienia się. Jeśli na płytkę rzucamy światło spolaryzowane liniowo pod pewnym względem płaszczyzny padania różnym od zera, światło przechodzące przez płytkę jest również spolaryzowane liniowo, ale jego płaszczyzna jest skręcona o pewien kąt w stosunku do płaszczyzny polaryzacji światła padającego. Gdy na płytkę przezroczystą rzucamy światło niespolaryzowane, to promień przechodzący wskazuje największy stopień polaryzacji częściowej wtedy, gdy światło pada pod kątem Brewstera.

Rys. 2

Polaryzacja światła przez odbicie od dwu zwierciadeł:

Rys. 1

Polaryzacja światła przy podwójnym załamaniu

a),b) zasłonięty promień nadzwyczajny z pierwszego kryształu

c),d) zasłonięty promień zwyczajny z pierwszego kryształu

a),c) schematy ustawienia

b),d) schematycznie przedstawione zmiany natężenia wiązek

L - źródło światła, P₁,P₂ - przysłony, K₁,K₂ - kryształy, E -ekran