Lecture_14

Поляризация при двойном лучепреломлении.

В кристаллических веществах атомы расположены упорядоченно, то есть занимают в пространстве вполне определенные места.

Анизотропия – неодинаковость свойств в кристаллических телах вдоль различных направлений. Она является следствием кристаллического строения, так как вдоль различных направлений плотность атомов различна. Большинство кристаллов оптически анизотропны, то есть их оптические свойства в разных направлениях не одинаковы. Распространение света в кристаллах изучает кристаллооптика.

Для оптически анизотропных сред показатель преломления n и скорость света c зависят от направления распространения световой волны и плоскости поляризации.

Наиболее важным проявлением оптической анизотропии является двойное лучепреломление (ДЛП) в кристаллах. Заключается в том, что упавший на кристалл луч расщепляется внутри кристалла на два линейно поляризованных во взаимно-перпендикулярных направлениях луча, которые распространяются с разными скоростями в различных направлениях.

Кристаллы, обладающие ДЛП, делятся на одноосные и двуосные.

У одноосных кристаллов один из преломленных лучей – обыкновенный – удовлетворяет закону преломления. Для необыкновенного луча отношение синусов угла падения и угла преломления не остается постоянным при изменении угла падения.

(!) Вдоль оптической оси обе волны распространяются с одинаковой скоростью, а ДЛП не наблюдается.

Плоскость, проходящая через падающий луч и ОО, называется главным сечением кристалла. Рассмотрим некоторые частные случаи.

1) Оптическая ось (О О ) перпендикулярна поверхности кристалла.

1 2

N

2) Оптическая ось параллельна поверхности кристалла.

При падении луча по нормали в кристалле без пространственного разделения образуются обыкновенный и необыкновенный лучи. При выходе из пластины кристалла лучи приобретают разность фаз.

Предположим, что на поляризатор падает линейно-поляризованный свет с амплитудой Е1. Поляризатор пропустит только составляющую E||, следовательно

E2 = E1 cos ,

I2 = I1 cos2 − закон Малюса.

Здесь Е2 и I2 – амплитуда и интенсивность прошедшего через поляризатор света.

Получение эллиптически поляризованного света.Фазовые пластинки.

Мы уже знаем, что в результате сложения двух волн равной частоты, поляризованных в двух ортогональных направлениях, обладающих разностью фаз и имеющими разные амплитуды,

получается эллиптическая поляризация (лекция 2).

Ex (z,t) = Ax cos( t − kz) ,

Ey (z,t) = Ay cos( t − kz + ) ,

φ – разность фаз между колебаниями.

Рассмотрим напряженность E электрического поля суммарной волны в плоскости xy при

фиксированном значении z. С течением времени

конец вектора E описывает в плоскости xy некоторую замкнутую кривую. Уравнение этой кривой получается исключением времени с

помощью простых преобразований.

Это уравнение описывает эллипс:

В общем случае главные оси эллипса не совпадают с осями координат. Эллипс вписан в прямоугольник со сторонами 2Ax и 2Ay. Ориентация эллипса и его параметры зависят от φ.

Получить эллиптически поляризованный свет можно с помощью кристаллической пластинки, вырезанной из одноосного кристалла параллельно оптической оси.

Сквозь пластинку будут распространяться в одном направлении, но с разной скоростью, два луча – обыкновенный и необыкновенный.

На выходе из пластинки два луча приобретают разность хода

r = (no − ne )d

и разность фаз

совпадающими с координатными осями.

= 2 + m .

когерентные волны с равными амплитудами, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных направлениях, разность фаз между которыми φ = /2 + m.

Фазовые пластинки /4 и /2.

Чтобы обеспечить такую разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами на выходе

направление колебаний изменяется на угол 1800 – 2 .

Пластинки в /2 и /4 называются фазовыми.

Вращение плоскости поляризации (ВПП)

Некоторые вещества вызывают вращение плоскости поляризации проходящего света. Такая способность среды называется оптической активностью, а вещества, обладающие естественной оптической активностью, называются оптически активными (ими могут быть кристаллы, растворы, пары, чистые жидкости). Особенно много оптически активных веществ среди органических соединений.

Оптическая активность в кристаллах.

В этом опыте свет через систему проходит даже при скрещенных поляризаторах (то есть направления поляризации поляризаторов составляют угол 900). Поворотом П2 можно добиться полного гашения. Таким образом, свет, прошедший через кристалл, остается линейно поляризованным, но плоскость поляризации поворачивается. Угол поворота различен для разных длин волн , то есть имеет место

дисперсия ВПП.

Вращательная способность характеризуется величиной угла φ, на который поворачивается плоскость поляризации:

φ = d, (15.7)

где d – толщина кристаллической пластинки, - постоянная вращения, зависящая от длины волны , температуры Т и природы вещества. Направление вращения меняется с изменением направления распространения света. Для наблюдателя, смотрящего навстречу лучу правым вращением является вращение по часовой стрелке.

Оптическая активность в аморфных веществах (сахар, патока, камфара, никотин).

Для растворов φ = [ ]cd,

где c – концентрация активного вещества, d – длина пути луча в оптически активной среде, [ ] – удельная вращательная способность, которая слабо зависит от Т и 1/ 2.

Прибор для измерений концентрации растворенного активного вещества называется

сахариметром (поляриметром).

Магнитное вращение плоскости поляризации

Оптически неактивные вещества в магнитном поле становятся оптически активными и вращают плоскость поляризации – эффект Фарадея.

Угол поворота φ плоскости поляризации пропорционален пути l света в веществе и напряженности внешнего магнитного поля, то есть магнитной индукции В в веществе:

V – постоянная Верде, или магнитная вращательная способность, которая зависит от рода вещества и длины волны .

Направление ВПП в магнитном поле для данного вещества зависит только от направления магнитного поля и не зависит от направления v света. Это отличает ВПП в магнитном поле от естественной оптической активности и показывает, что оно обусловлено действием магнитного поля на вещество.

Независимость магнитного ВПП от направления распространения света в магнитном поле позволяет увеличивать угол поворота плоскости поляризации за счет многократного прохождения луча в среде.

Важная особенность эффекта Фарадея – малая инерционность. Эффект Фарадея лежит в основе действия оптического изолятора.

Часть энергии оптического сигнала, распространяющегося по волокну, возвращается обратно, отражаясь от неоднородностей. Обратный сигнал, попадая в резонатор лазера, индуцированно усиливается, порождая паразитный сигнал. Основной способ подавления обратного светового потока

– использование оптического изолятора, который пропускает практически без потерь свет в одном направлении, а в обратном – с большим затуханием.

Оптические изоляторы в настоящее время является ключевым элементом многих лазерных систем, оптических усилителей и используются в оптоволоконных линиях связи.