Поляризация света при двойном лучепреломлении

    При прохождении естественного света через некоторые кристаллы, падающий луч, разделяется на два плоско-поляризованных луча. Отсюда и возник термин двойное лучепреломление. Это явление впервые описал Эразм Бартоломинус (1669) (1625-1698). Он наблюдал это явление на кристалле исландского шпата.

    Двойное лучепреломление объясняется анизотропией показателя преломления кристалла. Если кристалл анизотропен, то его диэлектрическая проницаемость по разным направлениям, например, по осям х и y могут быть различными, различными будут и показатели преломления и для лучей, поляризованных вдоль координатных осей с электрическими векторами Е_х и Е_у. Если в вакууме оба луча распространялись совместно, то попадая в кристалл, они преломятся под разными углами и пространственно разойдутся. Оба луча будут распространяться с разной скоростью и , соответственно, пройдут различные оптические пути.

    При двойном лучепреломлении один из лучей удовлетворяет обычному закону преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью. Этот луч называется обыкновенным и обозначается буквой о. Другой луч, называемый необыкновенным и обозначаемый буквой е, не подчиняется закону преломления света: отношение не остается постоянным при изменении угла падения и не лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью (рис.34а) Если на пластинку падает естественный свет по нормали к поверхности (рис.34б), то он расщепится на два луча.

Рис.34

Обыкновенный луч пройдет через кристалл, не преломляясь, т.е. не изменяя своего направления. Необыкновенный луч внутри кристалла отклонится и по выходе идет параллельно обыкновенному лучу. При вращении пластинки вокруг обыкновенного луча обыкновенный луч останется на месте, необыкновенный вращается вокруг него, описывая внутри кристалла конус, вне кристалла – цилиндр.

    Явление двойного лучепреломления наблюдается у всех прозрачных кристаллов, за исключением кристаллов кубической системы. В так называемых одноосных кристаллах имеется одно направление в кристалле, в котором не происходит двойного лучепреломления. Это направление называется оптической осью кристалла. Кристалл исландского шпата является одноосным кристаллом. В двуосных кристаллах имеются две оптические оси (например, слюда, гипс). В одноосных кристаллах один из лучей обыкновенный, другой необыкновенный. В двуосных кристаллах оба луча являются необыкновенными.

    Любая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением кристалла. Обычно пользуются главным сечением проходящим через падающий луч. Опыт показывает, что обыкновенный и необыкновенный лучи полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях: плоскость колебаний обыкновенного луча всегда перпендикулярна к главному сечению кристалла, поэтому его показатель преломления не меняется при падении естественного света на кристалл под любым углом. В необыкновенном луче колебания совершаются в плоскости главного сечения, ориентация которой зависит от направления падающей световой волны: показатель преломления необыкновенного луча изменяется в зависимости от угла падения.  По выходе из кристалла лучи отличаются только направлением колебаний светового вектора.

Чтобы двоякопреломляющий кристалл использовать для получения поляризованного света, один из лучей следует удалить. В некоторых кристаллах обыкновенный и необыкновенный лучи поглощаются в разной степени. Это явление называется оптическим дихроизмом. В кристалле турмалина дихроизм настолько высок, что необыкновенный луч практически полностью поглощается на пути 1 мм. Естественный луч выходит из пластинки такого кристалла полностью плоско-поляризованным в одной плоскости. Такая пластинка будет поляризатором. Большое распространение как поляризатор находит поляроид – целлулоидная пленка, в которую введено большое количество одинаково ориентированных кристалликов сульфата иодистого хинина (герапатита), в которых один из лучей поглощается на пути около 0,1 мм.

В оптических приборах широкое применение получил поляризатор, называемый призмой Николя (или просто николем). Она представляет собой призму из монокристалла исландского шпата, разрезанную по диагонали и склеенную канадским бальзамом (добывается из смолы канадской пихты). Показатель преломления канадского бальзама  лежит между показателями преломления обыкновенного  и необыкновенного  лучей. Угол падения подбирается таким, что обыкновенный луч на слое бальзама испытывает полное внутреннее отражение, а необыкновенный свободно проходит через этот слой и выходит из призмы (рис.35).

Рис.35