Что такое двойное лучепреломление
Двойное лучепреломление
Двойно́е лучепреломле́ние — эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие. Впервые обнаружен датским ученым Расмусом Бартолином на кристалле исландского шпата. Если луч света падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то на этой поверхности он расщепляется на два луча. Первый луч продолжает распространяться прямо, и называется обыкновенным (o — ordinary), второй же отклоняется в сторону, нарушая обычный закон преломления света, и называется необыкновенным (e — extraordinary).
Содержание
Описание
Нарушение закона преломления света необыкновенным лучом связанно с тем, что скорость распространения света (а значит и показатель преломления) волн с такой поляризацией, как у необыкновенного луча, зависит от направления. Для обыкновенной волны скорость распространения одинакова во всех направлениях.
Можно подобрать условия, при которых обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются по одной траектории, но с разными скоростями. Тогда наблюдается эффект изменения поляризации. Например, линейно поляризованный свет, падающий на пластинку можно представить в виде двух составляющих (обыкновенной и необыкновенной волн), двигающихся с разными скоростями. Из-за разности скоростей этих двух составляющих, на выходе из кристалла между ними будет некоторая разность фаз, и в зависимости от этой разности свет на выходе будет иметь разные поляризации. Если толщина пластинки такова, что на выходе из неё один луч на четверть волны (четверть периода) отстаёт от другого, то поляризация превратится в круговую (такая пластинка называется четвертьволновой), если один луч от другого отстанет на пол волны, то свет останется линейно поляризованным, но плоскость поляризации повернётся на некоторый угол, значение которого зависит от угла между плоскостью поляризации падающего луча и плоскостью главного сечения (такая пластинка называется полуволновой).
Природа явления
Качественно явление можно объяснить следующим образом. Из уравнений Максвелла для материальной среды следует, что фазовая скорость света в среде обратно пропорциональна величине диэлектрической проницаемости ε среды. В некоторых кристаллах диэлектрическая проницаемость — тензорная величина — зависит от направления электрического вектора, то есть от состояния поляризации волны, поэтому и фазовая скорость волны будет зависеть от ее поляризации.
Согласно классической теории света, возникновение эффекта связанно с тем, что переменное электромагнитное поле света заставляет колебаться электроны вещества, и эти колебания влияют на распространение света в среде, а в некоторых веществах заставить электроны колебаться проще в некоторых определённых направлениях.
Помимо кристаллов двойное лучепреломление наблюдается и в изотропных средах, помещённых в электрическое поле (эффект Керра), в магнитное поле (эффект Коттона — Мутона, эффект Фарадея), под действием механических напряжений (фотоупругость). Под действием этих факторов изначально изотропная среда меняет свои свойства и становится анизотропной. В этих случаях оптическая ось среды совпадает с направлением электрического поля, магнитного поля, направлением приложения силы.
Явление двойного лучепреломления
Вы будете перенаправлены на Автор24
В физике существует такое явление, как двойное лучепреломление. Оно характеризуется расщеплением луча света на составляющие.
Рисунок 1. Двойное лучепреломление. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Благодаря проведению множества различных опытов, ученым удалось выявить основные характеристики и свойства, которыми характеризуется данное явление.
Понятие и суть двойного лучепреломления
Двойное лучепреломление является эффектом расщепления светового луча в анизотропных средах на две составляющие. При перпендикулярном к поверхности кристалла падении, происходит расщепление луча надвое. При этом мы наблюдаем следующие явления:
Оптическая ось кристалла считается направлением в оптически анизотропном кристалле, по которому световой луч распространяется, не подвергаясь при этом двойному лучепреломлению.
Нарушение закона преломления света за счет действий необыкновенного луча спровоцировано тем фактом, что скорость, с которой распространяется свет и показатель преломления волн с поляризацией, аналогичной необыкновенному лучу, будет зависимой от направления. При этом для обыкновенной волны скорость распространения оказывается одинаковой во всех направлениях.
Готовые работы на аналогичную тему
Можно подобрать оптимальные условия распространения обыкновенного и необыкновенного лучей по одной траектории, но при этом их скорости окажутся разными. В этом случае мы наблюдаем эффект изменения поляризации.
Основываясь на принцип классической теории света, можно объяснить возникновение эффекта тем фактом, что переменное электромагнитное световое поле провоцирует колебания электронов вещества, и подобные колебания оказывают непосредственное воздействие на распространение в среде света.
Помимо кристаллов двойное лучепреломление можно наблюдать в изотропных средах, которые помещены:
Таким образом, под воздействием вышеуказанных факторов, изначально изотропная среда начинает менять свои свойства и превращается в анизотропную. В подобных случаях оптическая ось среды будет совпадать с направлениями электрического и магнитного полей и приложения силы.
Явление двойного лучепреломления в природе
Благодаря открытию в 1669 г. датского физика Э. Бартолина, удалось обнаружить тот факт, что при разглядывании какого-либо предмета через кристалл исландского шпата (при определенном расположении кристалла) будут хорошо просматриваться одновременно два изображения предмета. Такому явлению дали название двойного лучепреломления.
Объяснение природы такого явления смог дать в 1690 г. Х.Гюйгенс в «Трактате о свете». В более современной вариации объяснение звучит так: попадающий в двулучепреломляющее вещество свет начинает делиться на два луча, которые при этом плоскополяризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.
В то же время, в рамках любого двулучепреломляющего вещества будут одно или два направления, оба луча вдоль которых распространяются с равными скоростями. Такие направления в физике называются оптическими осями. Вещества (в зависимости от числа осей) ученые делят на: одноосные и двуосные.
Поскольку скорость света в веществе непосредственно взаимосвязана с показателем преломления такого вещества, то показатель преломления для данного луча также не будет зависимым от угла падения. Иными словами, поведение такого луча будет аналогичным его действиям в обычной изотропной среде, что делает его обыкновенным.
Рисунок 2. Явление двойного лучепреломления. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Второй луч уже будет называться необыкновенным, так как для него угол между направлением векторного колебания необыкновенного луча и оптической осью будет зависим от угла падения. Таким образом, в условиях разных углов падения, его распространение будет разноскоростным, а показатель преломления – различным.
Распространение волн при двойном лучепреломлении
Волновые поверхности таких лучей (обыкновенного и необыкновенного) будут обладать разной формой. Так, для обыкновенного – это сфера, где он всесторонне распространяется с одинаковой скоростью. У необыкновенного волновой поверхностью выступает эллипсоид (скорость луча по разным направлениям оказывается различной).
В связи с тем, что вдоль оптической оси световые волны будут распространяться с равной скоростью, и волновые поверхности в точках пересечения с оптической осью будут соприкасаться.
К двулучепреломляющим относятся такие кристаллические вещества, как кварц и исландский шпат. Более того, двулучепреломляющими могут считаться вещества с несимметричными молекулами, которые при этом ориентированы упорядочено вдоль определенного направления. Так, к ним могут относиться жидкости и аморфные тела, внутри которых молекулярная ориентация появляется в условиях внешнего воздействия (при механическом напряжении, под влиянием внешнего магнитного или электрического поля).
Двойное лучепреломления в кристаллах широко применяется:
Двойное лучепреломление света
Виды световых лучей
Различают обыкновенный и необыкновенный лучи света.
Обыкновенный луч имеет вектор \(E_0 ⃗\) который направлен нормально к главной плоскости, на его скорость не влияет направление вектора, и она равняется скорости луча с направлением, коллинеарным оптической оси. Все величины, которые имеют отношение к обыкновенному лучу обозначаются индексом 0.
Понятие о двойном лучепреломлении
Двойное лучепреломление представляет явление раздвоения луча, проходящего сквозь кристалл. Это происходит благодаря тому, что лучи внутри кристалла могут распространяться с разной скоростью, что приводит к возникновению в процессе преломления нескольких лучей.
Этот эффект открыл в 1669 году ученый Э. Бартолинус, а исследовал и объяснил Х. Гюйгенс.
Частые примеры двойного преломления лучей
При перпендикулярности оптической оси относительно поверхности кристалла луч будет падать вдоль оптической оси, в этом случае характер его распространение будет таким же, как в изотропной среде, то есть двойного лучепреломления не будет. Если луч будет направляться под углом к поверхности кристалла, то двойное лучепреломление будет иметь место. При этом оно будет разным для разных типов кристаллов. Для отрицательного кристалла картина будет следующей: обыкновенный луч будет преломляться больше, чем необыкновенный. В случае с положительным кристаллом картина будет противоположная: необыкновенный луч будет преломляться сильнее, чем обыкновенный.
Сложно разобраться самому?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
Если рассмотреть ситуацию, когда оптическая ось расположена параллельно поверхности кристалла, и луч направляется перпендикулярно поверхности кристалла, то в кристалле появятся два луча – обыкновенный и необыкновенный, но в пространстве они не будут разделяться. При выходе из кристалла они будут иметь разницу в фазах и создавать эллиптически поляризованную волну из-за суперпозиции. При подобном попадании на поверхность кристалла луча естественного света, выходящие из кристалла волны будут эллиптически поляризованными з разнообразными ориентированиями эллипсов.
Если на такой кристалл свет будет направлен под углом, то на двойное лучепреломление будет влиять угол между главной плоскостью и плоскостью направления луча.
Если допустить, что плоскость направления луча света расположена перпендикулярно оптической оси, и в ней расположены оба луча, то на преломление обыкновенного и необыкновенного лучей не будут влиять направления.
Если же плоскость распространения лучей расположена к оптической оси под углом отличным от 900, то ситуация с двойным лучепреломлением будет намного сложнее. Обыкновенный луч в данной ситуации будет расположен в плоскости падения, а необыкновенный окажется вне ее. Чтобы увидеть детальную картину, необходимо построить пространственную модель на базе построений Гюйгенса.
Закон Малюса
Закон Малюса записывается так:
\(I_e=I_0*cos^2 α,\)
где \(α\) – угол между оптической осью и линией колебания вектора.
Вектор волны, которая падает на поверхность, раскладывается на параллельные и перпендикулярные относительно оптической оси составляющие. Эти составляющие являются векторами обыкновенной и необыкновенной световых волн.
Поляризация в процессе двойного лучепреломления
Плоско поляризованные обыкновенный и необыкновенный лучи располагаются в плоскостях, перпендикулярных между собой. То есть эффект двойного лучепреломления применяют при создании поляризации света. С этой целью лучи света разделяют в пространстве, а один из них подвергают уничтожению посредством поглощения.
Если выходящий из кристалла один луч плоско поляризованный, а второй очень слабый, то этот кристалл является поляроидом. Примером хорошего поляроида есть турмалин. С толщиной всего в 1 мм, турмалиновая пластина практически полностью уничтожает обыкновенный луч. Электрический вектор необыкновенного луча в это время производит колебания вдоль оптической оси.
Не нашли что искали?
Просто напиши и мы поможем
Поляризатором является такой поляроид, который применяют при создании поляризованного света. Если его применяют для анализирования поляризованного света, то он именуется анализатором.
Рассмотрим пример решения задачи из области поляризованного света.
Ситуация с прохождением светового луча сквозь двоякопреломляющую призму. При этом преломление обыкновенного луча равняется \(n_0\) =1.658, необыкновенного \(n_е\) =1.486. Угол призмы равняется \(α\) =15. Найти угол необыкновенного луча, выходящего из призмы.
Решение : Кристаллы, поляризующие свет, в совокупности имеют название поляризационная или двоякопреломляющая призма. Поляризационной она является тогда, когда при выходе из нее остается один луч, а двоякопреломляющей – если два луча.
Если обыкновенный луч направляется через границу сред с перпендикулярными друг к другу оптическими осями, то во второй среде он становится необыкновенным. Та же картина наблюдается при прохождении необыкновенного луча.
Не нашли нужную информацию?
Закажите подходящий материал на нашем сервисе. Разместите задание – система его автоматически разошлет в течение 59 секунд. Выберите подходящего эксперта, и он избавит вас от хлопот с учёбой.
Гарантия низких цен
Все работы выполняются без посредников, поэтому цены вас приятно удивят.
Доработки и консультации включены в стоимость
В рамках задания они бесплатны и выполняются в оговоренные сроки.
Вернем деньги за невыполненное задание
Если эксперт не справился – гарантируем 100% возврат средств.
Тех.поддержка 7 дней в неделю
Наши менеджеры работают в выходные и праздники, чтобы оперативно отвечать на ваши вопросы.
Тысячи проверенных экспертов
Мы отбираем только надёжных исполнителей – профессионалов в своей области. Все они имеют высшее образование с оценками в дипломе «хорошо» и «отлично».
Гарантия возврата денег
Эксперт получил деньги, а работу не выполнил?
Только не у нас!
Деньги хранятся на вашем балансе во время работы над заданием и гарантийного срока
Гарантия возврата денег
В случае, если что-то пойдет не так, мы гарантируем возврат полной уплаченой суммы
Двойное лучепреломление света
Вы будете перенаправлены на Автор24
Обыкновенный и необыкновенный лучи
Сущность двойного лучепреломления
Так как внутри кристалла является возможным распространение с различными лучевыми скоростями двух лучей, то преломление на поверхности ведет к появлению двух лучей внутри тела. Такое разделение луча, который входит в кристалл, называют двойным лучепреломлением.
Характерные случаи двойного лучепреломления
Допустим, что оптическая ось перпендикулярна поверхности кристалла. В случае перпендикулярного падения луч будет направлен по оптической оси, значит, он распространяется как будто в изотропной среде, следовательно, двойное лучепреломление отсутствует. Пусть луч падает под углом к поверхности кристалла. В таком случае двойное лучепреломление можно наблюдать и оно зависит от типа кристалла. В отрицательном кристалле обыкновенный луч преломляется сильнее необыкновенного (рис.1($a$)). В положительном кристалле больше преломляется необыкновенный луч (рис.1($b$)).
Готовые работы на аналогичную тему
Точки и стрелки на рис.1 указывают направление колебаний электрического вектора волны.
Предположим, что оптическая ось кристалла параллельна его поверхности. Если луч падает на поверхность кристалла перпендикулярно, то внутри кристалла возникают два луча (обыкновенный и необыкновенны), но они пространственно не разделяются. Когда лучи выходят из кристалла они имеют разность фаз и образуют поляризованную волну (эллиптически) в результате суперпозиции. В том случае, если на поверхность кристалла падает естественный свет, то выходя из кристалла, появляются эллиптически поляризованные волны с разными ориентациями эллипсов.
Пусть свет на вышеописанный кристалл падает под углом к поверхности. Результат двойного лучепреломления при этом зависит от угла между плоскостью падения и главной плоскостью.
Допустив, что плоскость падения луча нормальна оптической оси, получим: обыкновенный и необыкновенный лучи в плоскости падения, при этом показатели преломления обоих лучей не зависят от направления.
Закон Малюса
При перпендикулярном падении луча на пластинку, которая вырезана из кристалла параллельно оптической оси, интенсивности колебаний в обыкновенном ($I_0$) и необыкновенном ($I_e$) лучах определяются из закона Малюса:
Поляризация при двойном лучепреломлении
Обыкновенный и необыкновенный лучи являются плоско поляризованными во взаимно перпендикулярных плоскостях. Значит, явление двойного лучепреломления можно использовать для получения поляризованного света. С этой целью обыкновенный и необыкновенный лучи разводят в пространстве и один из лучей уничтожают (поглощают).
Поляроид, используемый для получения поляризованного света, называют поляризатором. Его же при использовании для анализа поляризации света называют анализатором.
Решение:
Совокупность кристаллов, которая дает поляризованный свет, называется поляризационной или двоякопреломляющей призмой. При этом поляризационной называют призму, если на выходе получается один поляризованный луч. В двоякопреломляющей призме на выходе оба луча.