Поляризационные приборы и их применение

Показатели преломления кристаллов для обыкновенного и необыкновенного лучей неодинаковы. Так, для исландского шпата п_о=1,658, а п_е может принимать в зависимости от направления луча в кристалле все значения между 1,486 и 1,658. Кристаллы, для которых, как и для исландского шпата, п_е£n_о, называют отрицательными. Кристаллы, для которых п_е³п_о (например, кварц), носят название положительных.

На большом различии п_о и п_е основано применение исландского шпата для разделения лучей, поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях. Для этой цели можно воспользоваться кристаллом исландского шпата, поместив перед его гранью небольшую диафрагму. Задержав один из пучков, получим пучок, поляризованный по некоторому определенному направлению.

Однако гораздо удобнее применять не простые кристаллы, а соответствующие комбинации их, носящие название поляризационных призм. Используются призмы двух типов: призмы, из которых выходит один пучок, поляризованный в какой-либо плоскости (поляризационные призмы), и призмы, дающие два пучка, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (двоякопреломляющие призмы). Первые построены обычно по принципу полного внутреннего отражения одного из лучей от какой-либо границы раздела, тогда как другой луч, с иным показателем преломления, проходит через границу (Николь, 1828 г.). Во-вторых, используется различие в показателях преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, что позволяет развести их как можно дальше друг от друга. Наиболее употребительны следующие типы призм.

а. Поляризационные призмы. Призма Николя представляет собой призму из исландского шпата, вырезанную, как указано на рис. 6.13. По линии АА' призма разрезается и склеивается канадским бальзамом, показатель преломления которого п=1,550 лежит между значениями п_о и п_е для обыкновенного и необыкновенного лучей.

Рис. 6.13. Поляризационная призма Николя.

Оптическая ось составляет угол 48° с входной гранью. При подходящем угле падения на грань призмы обыкновенный луч претерпевает полное внутреннее отражение на прослойке канадского бальзама и поглощается зачерненной нижней гранью (в больших призмах во избежание нагревания призмы луч выводится из кристалла при помощи призмочки, приклеенной к кристаллу и показанной на рис. 6.13 пунктиром). Необыкновенный луч выходит из кристалла параллельно грани А'С. Наибольшая апертура светового пучка, при которой еще обеспечивается линейная поляризация выходящего из призмы света, равна 29°.

Рис. 6.14. Укороченная поляризационная призма с воздушной прослойкой.

Рис. 6.15. Поляризационная призма с лобовой гранью, перпендикулярной к ребрам.

Другие типы поляризационных призм, показанные на рис. 6.14 и 6.15, также изготовляются из исландского шпата. Пунктирная линия на рис. 6.14 указывает направление оптической оси. Обе половинки соединены воздушной прослойкой АА'; отношение ребер АС'/АС=0,9. При подходящем угле падения света на призму луч обыкновенный претерпевает полное внутреннее отражение от воздушной прослойки, луч необыкновенный проходит через нее. Апертура падающего светового пучка, при которой свет, проходящий через призму, еще полностью поляризован, составляет всего 8°, что значительно менее выгодно, чем в случае призмы Николя; зато эта призма гораздо короче и, следовательно, дешевле (при заданном сечении). Кроме того, она может применяться для ультрафиолета, так как не имеет склейки из канадского бальзама, поглощающего ультрафиолетовый свет.

В призме, изображенной на рис. 6.15, входная и выходная грани срезаны перпендикулярно к ребрам, что обеспечивает большие удобства в ее использовании. Оптическая ось параллельна АВ. Склейка производится канадским бальзамом или глицерином. Существует довольно много подобных призм разного устройства.

При склейке глицерином (п=1,474), который прозрачен для ближнего ультрафиолета, данные призмы следующие:

a=17°20', АС'/АС=3,2, апертура 32°6'.

Призма указанного типа делается и с воздушной прослойкой (Глан); ее данные: a=50°, АС'/АС=0,85, апертура 8°6'; она пригодна для ультрафиолета.

Рис. 6.16. Двоякопреломляющая призма из исландского шпата и стекла.

б. Двоякопреломляющие призмы. 1. Призма из исландского шпата и стекла (рис. 6.16). Оптическая ось перпендикулярна к плоскости чертежа, п_о=1,66, п_стекла=1,49, п_е=1,486. Луч обыкновенный преломляется в шпате и стекле два раза и сильно отклоняется. Луч необыкновенный выходит почти без отклонения, так как показатель преломления стекла выбран близким к п_е.

2. Призмы из двух кусков исландского шпата с различным направлением оптических осей.

Устройство и действие их понятны из рис. 6.17. Различие в ориентировке оптических осей влияет на угол расхождения между лучами. Допустимая апертура падающего пучка во всех этих призмах весьма невелика. Иногда двоякопреломляющие призмы делают из кварца; тогда, конечно, из-за меньшего различия между п_о и п_е углы разведения световых пучков о и е получаются значительно меньше.

в. Дихроичные пластинки. На ином принципе основаны поляризационные приспособления, простейшим представителем которых является турмалин. Турмалин представляет собой двоякопреломляющий кристалл, в котором один из лучей (обыкновенный) поглощается значительно сильнее, чем другой. Поэтому из пластинки турмалина оба луча, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, выходят с весьма различной интенсивностью, и прошедший через нее свет оказывается частично поляризованным. Если взять достаточно толстую (около 1 мм) пластинку турмалина, то в случае видимого света обыкновенный луч практически целиком поглощается и вышедший свет будет плоскополяризованным.

Для некоторых участков видимого спектра и необыкновенный луч обнаруживает заметное поглощение, и поэтому турмалин при выбранной толщине оказывается окрашенным; турмалин является не только поляризатором, но и светофильтром, практически пропускающим зелено-желтую область видимого спектра. Это обстоятельство является, конечно, крупным недостатком турмалина как поляризующего приспособления, но, с другой стороны, допустимая апертура пучка падающих на него лучей весьма значительна, что иногда играет важную роль.

Рис. 6.17. Различные двоякопреломляющие призмы из исландского шпата. а - призма Рошона: угол между лучами о и е зависит от преломляющего угла призмы, луч о - ахроматичен; б - призма Сенармона: угол АСВ близок к 45е, что позволяет экономно использовать исходный кристалл, разрезав его вдоль оси СВ и склеивая вдоль естественной грани АС; в - призма Волластона; она обеспечивает симметричное разведение лучей; угол между о и е примерно в два раза больше, чем в призме Рошона, но оба луча обнаруживают хроматизм.

Различие в поглощении лучей разной поляризации влечет за собой различие в поглощении естественного света в зависимости от направления его распространения, ибо от этого последнего зависит ориентация электрического вектора волны относительно кристаллографических направлений. Такое различие в поглощении, зависящее, кроме того, от длины волны, приводит к тому, что кристалл по разным направлениям оказывается различно окрашенным. Это явление носит название дихроизма (или, лучше, плеохроизма - многоцветности) и в большей или меньшей степени характеризует, по-видимому, все двоякопреломляющие кристаллы. Оно было открыто Кордье (1809 г.) на минерале, названном кордиеритом, Дихроизм турмалина был обнаружен Био и Зеебеком (1816 г.).

Особое значение приобрели дихроичные вещества в последнее время благодаря изобретению поляроидов. Поляроид представляет собой пленку очень сильно дихроичного кристалла - герапатита (периодат бисульфата хинина), полученного Герапатом в 1852 г. Чешуйка герапатита толщиной около 0,1 мм практически нацело поглощает один из лучей, являясь уже в таком тонком слое совершенным линейным поляризатором.

Было предложено несколько способов получения довольно больших поверхностей, покрытых мелкими, одинаково ориентированными кристалликами герапатита и представляющих, таким образом, поляризационное приспособление с большой площадью. Листы целлулоида, обработанные по такому методу, были выпущены в продажу в 1935 г. под названием поляроидов. В настоящее время существует несколько разновидностей дихроичных пластин, изгсь. товленных по типу поляроидов, с использованием как герапатита, так и других соединений, а также в виде больших (с линейным размером до 60 мм) кристаллических пластинок герапатита и т. д. Недостатком дихроичных пластин является меньшая по сравнению с призмами из исландского шпата прозрачность и некоторая ее селективность, т.е. зависимость поглощения от длины волны, так что современные поляроиды пропускают фиолетовую, а также красную области спектра поляризованными лишь частично. Эти недостатки, однако, для многих практических целей искупаются возможностью пользоваться в качестве поляроида дешевым поляризационным приспособлением не только с апертурой, близкой к 180°, но и с очень большой поверхностью (в несколько квадратных дециметров). Одно из применений поляроиды нашли в автодорожном деле для защиты шофера от слепящего действия фар встречных машин.