Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
Такие модельные представления подтверждаются огромным экспериментальным материалом. Так, например, при исследовании кристаллов, обладающих высокосимметричной кубической решеткой, отсутствуют оптические эффекты, связанные с различной ориентацией кристалла относительно возбуждающего пучка света. Однако при внедрении в решетку кубического кристалла ионов какого-либо элемента могут образоваться локальные анизотропные центры. При этом кристалл остается макроскопически изотропным, но такая "скрытая анизотропия" может быть обнаружена при том или ином анизотропном воздействии. Даже полностью изотропное вещество может стать анизотропным под воздействием внешних механических илн электрических воздействий.
из
Таким образом, оптика кристаллов является весьма специфическим разделом учения о свете, очень важным как по значению, так и по многочисленным приложениям.
§3.1 ОПИСАНИЕ ОСНОВНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Фундаментальным свойством световых лучей при их прохождении в кристаллах является двойное лучепреломление, открытое в 1670 г. Бартолином и подробно исследованное Гюйгенсом, опубликовавшим в 1690 г. свой знаменитый «Трактат о свете, в котором изложены причины того, что происходит при отражении и преломлении и, в частности, при необыкновенном преломлении в кристаллах из Исландии». Двойное лучепреломление в УКВ-диапазоне было открыто лишь в XX в. П. Н. Лебедевым. Это явление играет меньшую роль в различных приложениях, поэтому ограничимся разбором оптических явлений.
В качестве основного объекта исследования разумно и по сей день выбирать упомянутый выше исландский шпат, хотя почти все кристаллы в той или иной степени обладают этим свойством. Опыт показывает, что при освещении кристалла исландского шпата узким пучком света в нем возникают два луча, которые со времен Гюйгенса называют обыкновенным и необыкновенным (рис.3.1). Этот эффект наблюдается и при нормальном падении света на естественную грань кристалла. Для необыкновенного луча показатель преломления пе зависит от направления луча в кристалле, тогда как п0 — показатель преломления обыкновенного луча — остается постоянным при любом угле падения световой волны на кристалл. В частности, для исландского шпата (для света с длиной волны X = 5893А — желтый дублет натрия) п0 = 1,658, а 1,486 < пе < 1,658. Следовательно, в данном случае пе < п0. Такие кристаллы называют отрицательными. Вместе с тем существует широкий класс веществ (например, кристаллический кварц), для которых пе> п0. Такие кристаллы называют положительными.
—L необыкновенный ТЁ обыкновенный.
0
0
3.1. При прохождении через кристалл исландского шпата пучок неполяризован-ного света разделяется на два поляризованных луча
3.2. Двойное лучепреломление отсутствует, если луч проходит параллельно оптической оси кристалла
114
В любом кристалле имеется направление, в котором отсутствует двойное лучепреломление, т. е. пе = п0. Это направление называют оптической осью кристалла. Любая плоскость, проведенная через оптическую ось, называется главным сечением. В природе существуют одноосные и двуосные кристаллы. Чаще всего в экспериментах используют одноосные кристаллы, к числу которых относятся исландский шпат и кварц. Теоретическое описание прохождения света в одноосных кристаллах также оказывается много проще, и в дальнейшем наше внимание будет сосредоточено главным образом на них.
В исландском шпате оптическая ось совпадает по направлению с линией, соединяющей два тупых угла кристалла ( естественная грань исландского шпата имеет вид ромба с углами около 102 и 78°). Спилим эти углы по плоскостям, перпендикулярным оптической оси (рис.3.2). Пропуская через такой кристалл узкие пучки света, легко убедиться, что двойное лучепреломление всегда отсутствует, если луч в кристалле распространяется параллельно его оптической оси. Следовательно, формулируя понятие оптической оси, имеет смысл говорить о некотором направлении, а не о линии.
Оба луча, возникающие в кристалле при двойном лучепреломлении, полностью поляризованы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Это явление легко продемонстрировать на опыте: пусть свет по выходе из кристалла падает на какой-либо анализатор (поляроид, призма Николя). Повернув его на некоторый угол, мы гасим один луч и пропускаем второй, а повернув анализатор еще на п/2, полностью пропускаем первый луч и гасим второй. Анализ таких экспериментов показывает, что колебания вектора Е в обыкновенном луче перпендикулярны плоскости главного сечения, а в необыкновенном луче вектор Е колеблется в плоскости главного сечения” (рис. 3.1).
Большой интерес представляет случай распространения световой волны в направлении, перпендикулярном оптической оси кристалла. Как показывает опыт, в этом случае также отсутствует двойное лучепреломление, но дополнительные исследования позволяют установить, что разность показателей преломления | п0 — пе | оказывается наибольшей. Следовательно, если на кристалл перпендикулярно его оптической оси падает линейно поляризованная волна ( в которой Е колеблется не в плоскости главного сечения и не перпендикулярно ей), то в нем в одном и том же направлении будит распространяться две волны с разными скоростями (и\ = с[п0 W. и% = с/пе), поляризованные в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В зависимости от тол-
