Поляризация света для "чайников": определение, суть явления и сущность. Использование поляризованного света Использование поляризации в технике

Доктор технических наук А. ГОЛУБЕВ.

Две совершенно одинаковые пластинки из слегка затемнённого стекла или гибкого пластика, сложенные вместе, практически прозрачны. Но стоит повернуть какую-нибудь одну на 90 о, как перед глазом окажется сплошная чернота. Это может показаться чудом: ведь каждая пластинка прозрачна при любом повороте. однако внимательный взгляд обнаружит, что при определённых углах её поворота блики от воды, стекла и полированных поверхностей исчезают. Это же можно наблюдать, рассматривая экран компьютерного ЖК-монитора через пластинку: при её повороте яркость экрана меняется и при определённых положениях гаснет совсем. «Виновник» всех этих (и многих других) любопытных явлений - поляризованный свет. Поляризация - это свойство, которым могут обладать электромагнитные волны, в том числе видимый свет. Поляризация света имеет множество интересных применений и заслуживает того, чтобы о ней поговорить подробнее.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Механическая модель линейной поляризации световой волны. Щель в заборе пропускает колебания верёвки только в вертикальной плоскости.

В анизотропном кристалле световой луч расщепляется на два, поляризованные во взаимно-перпендикулярных (ортогональных) направлениях.

Обыкновенный и необыкновенный лучи пространственно совмещены, амплитуды световых волн одинаковы. При их сложении возникает поляризованная волна.

Так свет проходит через систему из двух поляроидов: а - когда они параллельны; б - скрещены; в - расположены под произвольным углом.

Две равные силы, приложенные в точке А во взаимно-перпендикулярных направлениях, заставляют маятник двигаться по круговой, прямолинейной или эллиптической траектории (прямая - это «вырожденный» эллипс, а окружность - его частный случай).

Наука и жизнь // Иллюстрации

Физпрактикум. Рис. 1.

Физпрактикум. Рис. 2.

Физпрактикум. Рис. 3.

Физпрактикум. Рис. 4.

Физпрактикум. Рис. 5.

Физпрактикум. Рис. 6.

Физпрактикум. Рис. 7.

Физпрактикум. Рис. 8.

Физпрактикум. Рис. 9.

В природе существует множество колебательных процессов. Один из них - гармонические колебания напряжённостей электрического и магнитного полей, образующие переменное электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Волны эти поперечные - векторы е и н напряжённостей электрического и магнитного полей взаимно-перпендикулярны и колеблются поперек направления распространения волны.

Электромагнитные волны условно разделяют на диапазоны по длинам волн, образующих спектр. Наибольшую его часть занимают радиоволны с длиной волны от 0,1 мм до сотен километров. Небольшой, но очень важный участок спектра - оптический диапазон. Он делится на три области - видимую часть спектра, занимающую интервал приблизительно от 0,4 мкм (фиолетовый свет) до 0,7 мкм (красный свет), ультрафиолетовую (УФ) и инфракрасную (ИК), невидимые глазом. Поэтому поляризационные явления доступны непосредственному наблюдению только в видимой области.

Если колебания вектора напряжённости электрического поля е световой волны поворачиваются в пространстве случайным образом, волна называется неполяризованной, а свет - естественным. Если эти колебания происходят только в одном направлении, волна линейно-поляризована. Неполяризованную волну в линейно-поляризованную превращают при помощи поляризаторов - устройств, пропускающих колебания только одного направления.

Попробуем изобразить этот процесс более наглядно. Представим себе обычный деревянный забор, в одной из досок которого прорезана узкая вертикальная щель. Проденем сквозь эту щель верёвку; её конец за забором закрепим и начнём верёвку встряхивать, заставляя её колебаться под разными углами к вертикали. Вопрос: а как будет колебаться верёвка за щелью?

Ответ очевиден: за щелью верёвка станет колебаться только в вертикальном направлении. Амплитуда этих колебаний зависит от направления приходящих к щели смещений. Вертикальные колебания пройдут сквозь щель полностью и дадут максимальную амплитуду, горизонтальные - щель не пропустит совсем. А все другие, «наклонные», можно разложить на горизонтальную и вертикальную составляющие, и амплитуда будет зависеть от величины вертикальной составляющей. Но в любом случае за щелью останутся только вертикальные колебания! То есть щель в заборе - это модель поляризатора, преобразующего неполяризованные колебания (волны) в линейно-поляризованные.

Вернёмся к свету. Получить из естественного, неполяризованного света линейно-поляризованный можно несколькими способами. Наиболее часто применяют полимерные плёнки с длинными молекулами, ориентированными в одном направлении (вспомним про забор с щелью!), призмы и пластинки, обладающие двойным лучепреломлением, или оптической анизотропией (неодинаковости физических свойств по различным направлениям).

Оптическая анизотропия наблюдается у многих кристаллов - турмалина, исландского шпата, кварца. Само явление двойного лучепреломления заключается в том, что луч света, падающий на кристалл, разделяется в нём на два. При этом показатель преломления кристалла для одного из этих лучей постоянен при любом угле падения входного луча, а для другого зависит от угла падения (то есть для него кристалл анизотропен). Это обстоятельство настолько поразило первооткрывателей, что первый луч назвали обыкновенным, а второй - необыкновенным. И весьма существенно, что эти лучи линейно-поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях.

Заметим, что в таких кристаллах существует одно направление, по которому двойного преломления не происходит. Это направление называется оптической осью кристалла, а сам кристалл - одноосным. Оптическая ось - это именно направление, все идущие вдоль него линии обладают свойством оптической оси. Известны также двухосные кристаллы - слюда, гипс и другие. В них также происходит двойное преломление, но оба луча оказываются необыкновенными. В двухосных кристаллах наблюдаются более сложные явления, которых мы касаться не станем.

В некоторых одноосных кристаллах обнаружилось ещё одно любопытное явление: обыкновенный и необыкновенный лучи испытывают существенно различное поглощение (это явление назвали дихроизмом). Так, в турмалине обыкновенный луч поглощается практически полностью уже на пути около миллиметра, а необыкновенный проходит весь кристалл насквозь почти без потерь.

Двоякопреломляющие кристаллы применяют для получения линейно-поляризованного света двумя способами. В первом используют кристаллы, не обладающие дихроизмом; из них изготавливают призмы, составленные из двух треугольных призм с одинаковой или перпендикулярной ориентацией оптических осей. В них либо один луч отклоняется в сторону, так что из призмы выходит только один линейно-поляризованный луч, либо выходят оба луча, но разведённые на большой угол. Во втором способе используются сильнодихроичные кристаллы, в которых один из лучей поглощается, или тонкие плёнки - поляроиды в виде листов большой площади.

Возьмём два поляроида, сложим их и посмотрим сквозь них на какой-нибудь источник ес-тественого света. Если оси пропускания обоих поляроидов (то есть направления, в которых они поляризуют свет) совпадают, глаз увидит свет максимальной яркости; если они перпендикулярны, свет практически полностью погасится.

Свет от источника, пройдя через первый поляроид, окажется линейно-поляризованным вдоль его оси пропускания и в первом случае свободно пройдёт через второй поляроид, а во втором случае не пройдёт (вспомним пример с щелью в заборе). В первом случае говорят, что поляроиды параллельны, во втором - что поляроиды скрещены. В промежуточных случаях, когда угол между осями пропускания поляроидов отличается от 0 или 90о, мы получим и промежуточные значения яркости.

Пойдём дальше. В любом поляризаторе входящий свет расщепляется на два пространственно разделённых и линейно-поляризованных во взаимно-перпендикулярных плоскостях луча - обыкновенный и необыкновенный. А что будет, если не разделять пространственно обыкновенный и необыкновенный лучи и не гасить один из них?

На рисунке показана схема, реализующая этот случай. Свет определённой длины волны, прошедший через поляризатор Р и ставший линейно-поляризованным, падает под углом 90 о на пластинку П, вырезанную из одноосного кристалла параллельно его оптической оси ZZ. В пластинке распространяются две волны - обыкновенная и необыкновенная - в одном направлении, но с разной скоростью (поскольку для них различны показатели преломления). Необыкновенная волна поляризована вдоль оптической оси кристалла, обыкновенная - в перпендикулярном направлении. Предположим, что угол а между направлением поляризации падающего на пластинку света (осью пропускания поляризатора Р) и оптической осью пластинки равен 45 о и амплитуды колебаний обыкновенной и необыкновенной волн А о и А е равны. Это случай сложения двух взаимно-перпендикулярных колебаний с одинаковыми амплитудами. Посмотрим, что получится в результате.

Для наглядности обратимся к механической аналогии. Есть маятник, к нему прикреплена трубочка с вытекающими из неё тонкой струйкой чернилами. Маятник колеблется в строго фиксированном направлении, и чернила рисуют прямую линию на листе бумаги. Теперь мы толкнём его (не останавливая) в направлении, перпендикулярном плоскости качания, так, что размах его колебаний в новом направлении стал таким же, как и в начальном. Таким образом, мы имеем два ортогональных колебания с одинаковыми амплитудами. Что нарисуют чернила, зависит от того, в какой точке траектории АОВ находился маятник, когда мы его толкнули.

Предположим, что мы толкнули его в тот момент, когда он занимал крайнее левое положение, в точке А. Тогда на маятник подействуют две силы: одна в направлении первоначального движения (к точке О), другая - в перпендикулярном направлении АС. Поскольку эти силы одинаковы (амплитуды перпендикулярных колебаний равны), маятник пойдет по диагонали AD. Его траекторией станет прямая линия, идущая под углом 45 о к направлениям обоих колебаний.

Если толкнуть маятник, когда он находится в крайнем правом положении, в точке В, то из аналогичных рассуждений ясно, что его траекторией будет тоже прямая, но повёрнутая на 90 о. Если толкнуть маятник в средней точке О, конец маятника опишет круг, а если в какой-то произвольной точке - эллипс; причём его форма зависит от того, в какой именно точке толкнули маятник. Следовательно, круг и прямая - частные случаи эллиптического движения (прямая - это «вырожденный» эллипс).

Результирующее колебание маятника, совершаемое по прямой линии, - модель линейной поляризации. Если его траектория описывает окружность, колебание называется поляризованным по кругу или циркулярно-поляризованным. В зависимости от направления вращения, по часовой стрелке или против неё, говорят соответственно о право- или левоциркулярной поляризации. Наконец, если маятник описывает эллипс, колебание называется эллиптически-поляризованным, и в этом случае тоже различают правую или левую эллиптическую поляризацию.

Пример с маятником даёт наглядное представление, какую поляризацию получит колебание, возникающее при сложении двух взаимно-перпендикулярных линейно-поляризованных колебаний. Возникает вопрос: что служит аналогом задания второго (перпендикулярного) колебания в различных точках траектории маятника для световых волн?

Им служит разность фаз φ обыкновенной и необыкновенной волн. Толчку маятника в точке А соответствует нулевая разность фаз, в точке В - разность фаз 180 о, в точке О - 90 о, если маятник проходит через эту точку слева направо (от А к В), или 270 о, если справа налево (от В к А). Следовательно, при сложении световых волн с ортогональными линейными поляризациями и одинаковыми амплитудами поляризация результирующей волны зависит от разности фаз складываемых волн.

Из таблицы видно, что при разности фаз 0 о и 180 о эллиптическая поляризация превращается в линейную, при разности 90 о и 270 о - в круговую с разными направлениями вращения результирующего вектора. А эллиптическую поляризацию можно получить сложением двух ортогональных линейно-поляризованных вол и при разности фаз 90 о или 270 о, если у этих волн различные амплитуды. Кроме того, циркулярно-поляризованный свет можно получить вообще без сложения двух линейно-поляризованных волн, например при эффекте Зеемана - расщеплении спектральных линий в магнитном поле. Неполяризованный свет частотой v, пройдя через приложенное в направлении распространения света магнитное поле, расщепляется на две компоненты с левой и правой циркулярными поляризациями и симметричными относительно ν частотами (ν - ∆ν) и (ν + ∆ν).

Весьма распространённый способ получения различных видов поляризации и их преобразования - использование так называемых фазовых пластинок из двоякопреломляющего материала c показателями преломления n o и n e . Толщина пластинки d подобрана так, что на её выходе разность фаз между обыкновенной и необыкновенной компонентами волны равна 90 или 180 о. Разности фаз 90 о соответствует оптическая разность хода d(n o - n e), равная λ/4, а разности фаз 180 о - λ/2, где λ - длина волны света. Эти пластинки так и называются - четвертьволновая и полуволновая. Пластинку толщиной в одну четвёртую или половину длины волны изготовить практически невозможно, поэтому тот же результат получают с более толстыми пластинками, дающими разность хода (kλ + λ/4) и (kλ + λ/2), где k - некоторое целое число. Четвертьволновая пластинка превращает линейно-поляризованный свет в эллиптически-поляризованный; если же пластинка полуволновая, то на её выходе получается также линейно-поляризованный свет, но с направлением поляризации, перпендикулярным входящему. Разность фаз в 45 о даст циркулярную поляризацию.

Если между параллельными или скрещёнными поляроидами поместить двоякопреломляющую пластинку произвольной толщины и посмотреть через эту систему на белый свет, то мы увидим, что поле зрения стало цветным. Если толщина пластинки неодинакова, возникают разноцветные участки, потому что разность фаз зависит от длины волны света. Если один из поляроидов (все равно, какой) повернуть на 90 о, цвета изменятся на дополнительные: красный - на зелёный, жёлтый - на фиолетовый (в сумме они дают белый свет).

Поляризованный свет предлагали использовать для защиты водителя от слепящего света фар встречного автомобиля. Если на ветровое стекло и фары автомобиля нанести плёночные поляроиды с углом пропускания 45 о, например вправо от вертикали, водитель будет хорошо видеть дорогу и встречные машины, освещённые собственными фарами. Но у встречных автомобилей поляроиды фар окажутся скрещёнными с поляроидом ветрового стекла данного автомобиля, и свет фар встречных машин погаснет.

Два скрещённых поляроида составляют основу многих полезных устройств. Через скрещённые поляроиды свет не проходит, но, если поместить между ними оптический элемент, поворачивающий плоскость поляризации, можно открыть свету дорогу. Так устроены быстродействующие электрооптические модуляторы света. Между скрещёнными поляроидами помещается, например, двоякопреломляющий кристалл, на который подаётся электрическое напряжение. В кристалле в результате взаимодействия двух ортогональных линейно-поляризованных волн свет становится эллиптически-поляризованным с составляющей в плоскости пропускания второго поляроида (линейный электрооптический эффект, или эффект Поккельса). При подаче переменного напряжения будет периодически меняться форма эллипса и, следовательно, величина проходящей через второй поляроид составляющей. Так осуществляется модуляция - изменение интенсивности света с частотой приложенного напряжения, которая может быть очень высокой - до 1 гигагерца (10 9 Гц). Получается затвор, прерывающий свет миллиард раз в секунду. Эго используют во многих технических устройствах - в электронных дальномерах, оптических каналах связи, лазерной технике.

Известны так называемые фотохромные очки, темнеющие на ярком солнечном свету, но не способные защитить глаза при очень быстрой и яркой вспышке (например, при электросварке) - процесс затемнения идёт сравнительно медленно. Поляризационные очки на эффекте Поккельса обладают практически мгновенной «реакцией» (менее 50 мкс). Свет яркой вспышки поступает на миниатюрные фотоприемники (фотодиоды), подающие электрический сигнал, под действием которого очки становятся непрозрачными.

Поляризационные очки используют в стереокино, дающем иллюзию объёмности. В основе иллюзии лежит создание стереопары - двух изображений, снятых под разными углами, соответствующими углам зрения правого и левого глаза. Их рассматривают так, чтобы каждый глаз видел только предназначенный для него снимок. Изображение для левого глаза проецируют на экран через поляроид с вертикальной осью пропускания, а для правого - с горизонтальной осью и точно совмещают их на экране. Зритель смотрит через поляроидные очки, в которых ось левого поляроида вертикальна, а правого горизонтальна; каждый глаз видит только «своё» изображение, и возникает стереоэффект.

Для стереоскопического телевидения применяется способ быстрого попеременного затемнения стёкол очков, синхронизированного со сменой изображений на экране. За счёт инерции зрения возникает объёмное изображение.

Поляроиды широко применяются для гашения бликов от стёкол и полированных поверхностей, от воды (отраженный от них свет сильно поляризован). Поляризован и свет экранов жидкокристаллических мониторов.

Поляризационные методы используются в минералогии, кристаллографии, геологии, биологии, астрофизике, метеорологии, при изучении атмосферных явлений.

Литература

Жевандров Н. Д. Поляризация света. - М.: Наука, 1969.

Жевандров Н. Д. Анизотропия и оптика. - М.: Наука, 1974.

Жевандров Н. Д. Применение поляризованного света. - М.: Наука, 1978.

Шерклифф У. Поляризованный свет / Пер. с англ. - М.: Мир, 1965.

Физпрактикум

ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ МИР

О свойствах поляризованного света, самодельных полярископах и о прозрачных предметах, начинающих переливаться всеми цветами радуги, журнал уже писал (см. «наука и жизнь» № ). Рассмотрим этот же вопрос с использованием новых технических устройств.

Любое устройство с цветным ЖК (жидкокристаллическим) экраном- монитор, ноутбук, телевизор, DVD-плеер, карманный компьютер, смартфон, коммуникатор, телефон, электронную фоторамку, MP3-плеер, цифровой фотоаппарат - можно использовать в качестве поляризатора (прибора, создающего поляризованный свет).

Дело в том, что сам принцип работы ЖК-монитора основан на обработке поляризованного света (1). Более подробное описание работы можно найти на http://master-tv.com/ , а для нашего физпрактикума важно то, что если мы засветим экран белым светом, например, нарисовав белый квадрат или сфотографировав белый лист бумаги, то получим плоскополяризованный свет, на фоне которого мы и будем производить дальнейшие опыты.

Интересно, что, приглядевшись к белому экрану при большом увеличении, мы не увидим ни одной белой точки (2) - всё многообразие оттенков получается комбинацией оттенков красного, зелёного и синего цветов.

Может быть, по счастливой случайности наши глаза тоже используют три вида колбочек, реагирующих на красный, зелёный и синий цвета так, что при правильном соотношении основных цветов мы воспринимаем эту смесь как белый цвет.

Для второй части полярископа - анализатора - подойдут поляризованные очки фирмы «Polaroid», они продаются в магазинах для рыболовов (уменьшают блики от водной поверхности) или в автомагазинах (убирают блики от стеклянных поверхностей). Проверить подлинность таких очков очень просто: поворачивая очки относительно друг друга, можно практически полностью перекрыть свет (3).

И, наконец, можно сделать анализатор из ЖК дисплейчика от испорченных электронных часов или других изделий с чёрно-белыми экранами(4). При помощи этих несложных приспособлений можно увидеть немало интересного, а если поставить анализатор перед объективом фотоаппарата - сохранить удачные кадры (5).

Предмет из абсолютно прозрачной пластмассы - линейка (8), коробочка для CD-дисков (9) или сам «нулевой» диск (см. снимок на первой странице обложки), - помещённый между ЖК-экраном и анализатором, приобретает радужную окраску. Геометрическая фигурка из целлофана, снятого с сигаретной пачки и положенная на листок того же целлофана, становится цветной (6). А если повернуть анализатор на 90 градусов, все цвета изменятся на дополнительные - красный станет зелёным, жёлтый - фиолетовым, оранжевый - синим (7).

Причина этого явления в том, что прозрачный для естественного света материал на самом деле неоднороден, или, что то же самое, анизотропен. Его физические свойства, в том числе показатели преломления разных участков предмета, неодинаковы. Световой луч в нём расщепляется на два, которые идут с разными скоростями и поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Интенсивность поляризованного света, результат сложения двух световых волн, при этом не изменится. Но анализатор вырежет из него две плоско-поляризованные волны, колеблющиеся в одной плоскости, которые станут интерферировать (см. «Наука и жизнь» № 1, 2008 г.). Малейшее изменение толщины пластинки или напряжений в её толще приводит к появлению разности хода волн и возникновению окраски.

В поляризованном свете очень удобно изучать распределение механических напряжений в деталях машин и механизмов, строительных конструкциях. Из прозрачной пластмассы делают плоскую модель детали (балки, опоры, рычага) и прикладывают к ней нагрузку, моделирующую реальную. Разноцветные полосы, возникающие в поляризованном свете, указывают на слабые места детали (острый угол, сильный изгиб и пр.) - в них концентрируются напряжения. Меняя форму детали, добиваются наибольшей её прочности.

Проделать такое исследование несложно и самим. Из органического стекла (желательно однородного) можно вырезать, скажем, модель гака (крюка для подъёма груза), подвесить её перед экраном, нагружать гирьками разного веса на проволочных петельках и наблюдать, как в ней меняется распределение напряжений.

Балятинская Ульяна, ученица 11 класса

В работе приводится наглядный материал к урку по теме "Практическое применение явления поляризации"

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Применение поляризации света Выполнила ученица 11 класса Балятинская Ульяна

Поляризационные микроскопы В основе принципа действия поляризационных микроскопов лежит получение изображения исследуемого объекта при его облучении поляризационными лучами, которые в свою очередь должны быть сгенерированы из обычного света с помощью специального прибора - поляризатора.

Очень часто при отражении от снежного покрова, поверхности воды, мокрого снега, стекла образуется режущий глаза яркий свет,они называются « бликами». Эти « блики « понижают качество фотографий, мешают рыбакам при рыбной ловле, ухудшают видимость водителям автомашин. Для подавления отраженного света применяется поляризационные линзы в очках, светофильтры в фотоаппаратах.

Солнцезащитные поляризационные очки Поляризационные очки защищают глаза от ослепляющих бликов, которые представляют собой отраженный от различных поверхностей свет. Световые лучи отражаются от дорожного полотна, лежащего на земле снега, от водной поверхности, от стен и крыш домов. Эти отраженные световые лучи образуют блики. Блики ухудшают качество зрения, мешают видеть детали, яркие блики ослепляют. Отражение тем сильнее, чем выше отражающая способность поверхности. Например, сильно отражаются солнечные лучи от мокрого дорожного полотна, особенно когда солнце стоит низко над горизонтом. Ослепление водителя в этих ситуациях увеличивает риск возникновения аварийной ситуации на дороге. Солнцезащитные поляризационные очки обладают способностью блокировать отраженные световые лучи и таким образом улучшают качество зрение, повышают контраст изображения, увеличивают зрительный комфорт в целом. Устройство поляризационных очков В поляризационных очках установлены специальные поляризационные очковые линзы, обладающие способностью блокировать отраженный от горизонтальных поверхностей солнечный свет. Поляризационные линзы обычно представляют собой многослойную конструкцию, внутри которой находится прозрачная поляризационная пленка. Поляризационная пленка установлена в линзы так, что она пропускает свет, имеющий только вертикальную поляризацию. Световые лучи, отраженные от горизонтальных поверхностей (заснеженного поля, водной поверхности и др.), имеют, наоборот, горизонтальную поляризацию и поэтому не проходят через поляризационные линзы. В то же время лучи, исходящие от других объектов, неполяризованные и поэтому проходят через поляризационные линзы и формируют четкое изображение на сетчатке глаза.

Технологии производства очков можно свести к двум. В первом случае кристаллы поляризующего вещества наносят на пленку, которую вклеивают между двух пластиковых пластин, образующих линзу очков. Эта технология наиболее дешевая. Вторая технология состоит в размещении кристалов поляризующего вещества непосредственно в стекле линзы очков. Эта технология значительно дороже по стоимости, но и качество изготовления таких очков существенно выше. Чем дешевле очки, тем тоньше в них линзы и тоньше слой поляризующего вещества. Прямое следствие этого - плохой уровень поляризации. Хорошие очки стоят довольно дорого, но всегда оправдывают потраченные на них средства. Если говорить о ценах, то вполне приличные очки стоят от 50 до 100 американских долларов.

Выбор цвета очков Серый хорошо подходит для яркого солнечного дня. Цвета передаются практически без искажений, позволяя видеть вещи с их натуральными оттенками. Если вы хотите найти компромисс между хорошим контрастом и натуральными оттенкам, выбирайте коричневый. Оранжевый (медный) цвет практически универсален, но наиболее хорош в облачную погоду. Наибольшее количество известных рыбаков, для которых успех рыбалки во многом состоит в способности увидеть рыбу, пользуются именно такими линзами Если вы ловите рыбу ранним утром и ближе к вечеру, то желтый цвет линз наиболее предпочтителен так как позволяет пользоваться ими в условиях исключительно низкой освещенности. Только не стоит надевать такие очки в солнечную погоду потому, так как глазам требуется более серьезная защита.

Обычные солнцезащитные очки просто затемняют видимую среду, не защищают от бликов. Очки с поляризационными линзами препятствуют проникновению отраженного от различных предметов света, пропускают только свет, полезный для глаза человека.

Поляризационные светофильтры Невозможно представить современную фотографию без поляризационных светофильтров. Он представляет собой пластинку из специального материала, укрепленную между двумя плоскими стеклами и поляризующую свет. Вся это система монтируется в специальной вращающейся оправе, на которой наносится метка, показывающая положение плоскости поляризации. Поляризационный светофильтр увеличивает на фотографии резкость и чистоту цвета, помогает устранить блики. За счет этого на фотографии лучше проявляется собственный цвет предметов, увеличивается насыщенность цвета.

Устройство ЖК-монитора. C остоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.Молекулы в отсутствие электрического напряжения между электродами выстраиваются в винтовую структуру, при этом до второго фильтра плоскость поляризации поворачивается на 90 º и свет через вертикальный фильтр проходит уже без потерь. Если же к электродам приложено напряжение, молекулы стремятся выстроиться в направлении поля, что искажает винтовую структуру. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Изменяя напряжение между электродами, можно управлять световым потоком, проходящим через монитор. При этом светятся не экраны телевизоров, а тонкий слой жидкого кристалла.

Поляризованный свет прибора Биоптрон оказывает регулирующее действие на многие физиологические процессы в организме, на иммунную систему, обладает противовоспалительным, иммуномодулирующим, анальгезирующим действием, стимулирует регенерацию тканей. Под влиянием поляризованного света увеличивается энергетическая активность клеточной мембраны, поглощение кислорода тканями, улучшаются реологические свойства крови и микроциркуляция, газообменная и транспортная функция крови, изменяется функциональная активность всех циркулирующих лейкоцитов.

Интересные факты, связанные с поляризацией света Солнечный свет в определенном направлении от Солнца является поляризованным. Поляризация солнечных лучей происходит в результате отражения от молекул воздуха и преломления на капельках воды Поэтому с помощью поляроида можно полностью закрыть радугу Многие насекомые в отли - чие от человека видят поляризованный свет. Пчелы и муравьи хорошо ориентируются даже тогда, когда Солнце скрыто за облаками. В глазе человека молекулы светочувстви - тельного пигмента родоп - сина расположены беспо - рядочно, а в глазе насеко - те же молекулы уложены аккуратными рядами, ориентированы в одном направлении, что и позво – ляет им сильнее реагиро - вать на тот свет, колебания которого соответствуют плоскости размещения молекул.

Поворачивая кристалл и следя за изменением проходящего через него рассеянного атмосферой солнечного света, викинги могли на основании таких наблюдений определить направление на Солнце, даже если оно находится ниже линии горизонта.

Спасибо за внимание

а) Поляризационные светофильтры.

Свет, отраженный от воды, от других диэлектриков, содержит яркие блики, ослепляющие глаза, ухудшающие изображение. Блики, вследствие закона Брюстера, имеют поляризованную компоненту, в которой световые векторы расположены параллельно отражающей поверхности. Если на пути бликующего света поставить поляризационный светофильтр, плоскость пропускания которого перпендикулярна отражающей поверхности, то блики будут погашены полностью или частично. Поляризационные светофильтры применяют в фотографии, на перископах подводных лодок, в биноклях, микроскопах и т.д.

б).Поляриметры, сахариметры.

Это приборы, использующие свойство плоскополяризованного света поворачивать плоскость колебания в веществах, которые называют оптически активными, например растворы. Угол поворота пропорционален оптическому пути и концентрации вещества:

В простейшем случае поляриметр – это поляризатор и анализатор, расположенные последовательно в пучке света. Если их плоскости пропускания взаимно перпендикулярны, то свет не проходит через них. Помещая между ними оптически активное вещество, наблюдают просветление. Повернув на угол поворота плоскости колебаний φ анализатор, опять добиваются полного затемнения. Применяются поляриметры для измерения концентрации растворов, для исследования молекулярного строения веществ.

в). Индикаторы на жидких кристаллах.

Жидкие кристаллы – это вещества, молекулы которых либо имеют форму нитей, либо плоских дисков. Даже в слабом электрическом поле молекулы ориентируются, и жидкость приобретает свойства кристалла. В жидкокристаллическом индикаторе жидкость расположена между поляроидом и зеркалом. Если поляризованный свет проходит в области электродов, то на оптическом пути в две толщины слоя жидкости плоскость колебаний поворачивается на 90 о и свет не выходит через поляроид и наблюдается черное изображение электродов. Поворот обусловлен тем, что обыкновенный и необыкновенный пучки света распространяются в кристалле с разной скоростью, возникает разность фаз, и результирующий световой вектор постепенно поворачивается. Вне электродов свет выходит и наблюдается серый фон.

Многообразно применение поляризованного света. Исследование внутренних напряжений в линзах телескопов, в стеклянных моделях деталей. Применение ячейки Керра как быстродействующего фотозатвора импульсных лазеров. Измерение интенсивности света в фотометрах.

Контрольные вопросы

1. С какой целью на перископы подводных лодок устанавливают поляризаторы?

2. Какие действия производит фотограф с поляризационным светофильтром при установке его на объектив перед фотосъемкой?

3. Почему естественный свет при отражении от диэлектриков ли и поляризуется, а при отражении от металлов не поляризуется?

4. Изобразите ход пучков естественного света при падении на жидкокристаллический индикатор мобильного телефона в области электрического поля и вне поля.

5. Каким является свет, отраженный от индикатора наручных электронных часов, естественным или поляризованным?

6. Как расположить плоскости пропускания поляроидов на фарах и лобовом стекле автомобиля, чтобы встречные машины не ослепляли друг друга?

7. Интенсивность света, проходящего через анализатор, изменяется в два раза при повороте через каждые 90 о. Какой это свет? Какова степень поляризации света?

8. На пути естественного света расположено несколько параллельных стеклянных пластинок под углом Брюстера (стопа Столетова). Как меняется степень поляризации и интенсивность проходящего пучка света с увеличением числа пластинок?

9. На пути естественного света расположено несколько параллельных стеклянных пластинок под углом Брюстера (стопа Столетова). Как меняется степень поляризации и интенсивность отраженного пучка света с увеличением числа пластинок?

10. Плоскополяризованный пучок света под углом Брюстера падает на поверхность диэлектрика. Плоскость колебаний светового вектора поворачивается, Как зависит интенсивность от угла между плоскостью падения и плоскостью колебаний светового вектора?

11. Если смотреть на светящуюся точку через двоякопреломляющий кристалл исландского шпата, то видно две точки. Как меняется их взаимное расположение, если поворачивать кристалл

12. Если узкий пучок света проходит через двоякопреломляющий кристалл, то из него выходят два пучка света. Как доказать, что это поляризованные взаимно перпендикулярно пучки?

13. Если узкий пучок света проходит через двоякопреломляющий кристалл турмалина, то из него выходят два пучка света. Как узнать, который из них обыкновенный, а который необыкновенный пучок света?

14. Блики света от лужи слепят глаз. Как должна быть расположена плоскость пропускания света поляризационных очков относительно вертикали?

15. Объясните способ получения объемного изображения на плоском экране в стереокинотеатре.

16. Объясните, для чего в микроскопах применяют поляризационные светофильтры?

17. Как доказать, что луч лазера является плоскополяризованным светом. Почему лазер вырабатывает плоскополяризованный свет?

18. Как следует расположить оптическую ось двоякопреломляющего кристалла, чтобы обыкновенный и необыкновенный пучки света распространялись после прохождения совместно?

19. Обыкновенный и необыкновенный пучки света распространяются в кристалле совместно с различными скоростями V о V е

Практические применения поляризации света. Применения поляризации света для нужд практики очень разнообразны. Некоторые из них разработаны давно и детально и широко используются. Другие только еще пробивают себе дорогу. В методическом отношении всем им свойственна следующая черта - они либо позволяют решить задачи, вовсе недоступные для других методов, либо решают их совершенно оригинальным путем, кратким и эффективным.

Отнюдь не претендуя на полноту описания всех практических применений поляризации света, мы ограничимся только примерами из разных областей деятельности, иллюстрирующими широту применения и полезность этих методов.

Одной из важных повседневных задач светотехники является плавное изменение и регулировка интенсивности световых потоков. Решение этой задачи с помощью пары поляризаторов (например, поляроидов) имеет ряд преимуществ перед другими методами регулировки. Интенсивность может плавно изменяться от максимальной (при параллельных поляроидах) практически до темноты (при скрещенных). При этом интенсивность меняется одинаково по всему сечению пучка и само сечение остается постоянным. Поляроиды могут быть изготовлены большого размера, поэтому такие пары употребляются не только в лабораторных установках, фотометрах, в секстантах или солнечных очках, но и в иллюминаторах пароходов, окнах железнодорожных вагонов и т. п.

Поляроиды могут использоваться также в системах световой блокировки, т. е. в таких системах, которые пропускают свет там, где нужно, и не пропускают там, где не нужно. Пример - светоблокировка автомобильных фар. Если на фары и смотровые стекла автомобилей поставить поляроиды, ориентированные под 45° вправо к вертикали, то поляроиды на фарах и смотровом стекле данного автомобиля будут параллельны. Следовательно, шофер будет хорошо видеть дорогу и встречные машины, освещаемые собственными фарами. Но поляроид, фар встречных автомобилей будут скрещены с поляроидом смотрового стекла данного автомобиля. Поэтому слепящий свет фар встречного автомобиля будет погашен. Несомненно, это сделало бы ночную работу шоферов значительно проще и безопаснее.

Другой пример поляризационной светоблокировки - световое оборудование рабочего места оператора, который должен одновременно видеть, например, экран осциллографа и какие-нибудь таблицы, графики или карты. Свет ламп, освещающих таблицы, попадая на экран осциллографа, ухудшает контрастность изображения на экране. Можно избежать этого, оборудовав осветитель и экран поляроидами с взаимно перпендикулярной ориентацией.

Поляроиды могут быть полезны тем, кто работает на воде (морякам, рыбакам и т. п.), для гашения зеркально отраженных от воды бликов, которые, как мы знаем, частично поляризованы. Поляризаторы широко применяются в фотографии для устранения бликов от фотографируемых объектов (картин, стеклянных и фарфоровых изделий и пр.). При этом можно помещать поляризаторы между источником и отражающей поверхностью, это помогает вовсе погасить блики. Такой метод полезен при освещении фотостудий, картинных галерей, при фотографировании хирургических операций и в ряде других случаев.

Погашение отраженного света при нормальном или близком к нормальному падении может осуществляться с помощью циркулярных поляризаторов. Ранее наукой было доказано, что при этом правоциркулярный свет превращается в левоциркулярный (и наоборот). Следовательно, тот же самый поляризатор, который создает циркулярную поляризацию падающего света, будет гасить отраженный свет.

В спектроскопии, астрофизике и светотехнике находят широкое применение поляризационные фильтры, позволяющие выделять из исследуемого спектра узкие полосы, а также изменять нужным образом насыщенность или оттенок цвета. Действие их основано на том, что основные параметры поляризаторов и фазовых пластинок (например, дихроизм поляроидов) зависят от длины волны. Поэтому различные комбинации этих устройств могут использоваться для изменения спектрального распределения энергии в световых потоках. Например, пара хроматических поляроидов, обладающих дихроизмом только в видимой области, в скрещенном положении будет пропускать красный свет, а в параллельном - белый. Это простейшее устройство удобно для освещения фотолабораторий.

Применяемые для астрофизических исследований поляризационные фильтры содержат довольно большое число элементов (например, шесть поляризаторов и пять чередующихся с ними фазовых пластинок с определенной ориентацией) и позволяют получать достаточно узкие полосы пропускания.

Множество новых материалов все более прочно входят в наш обиход. Речь идет не только о каких-то компьютерных или иных высоких технологиях. Справедливости ради следует отметить, что в современные мешки для мусора 100л можно помещать как отходы, так и сыпучие субстанции для переноса и временного хранения. Мешки обладают достаточно высокой прочностью, благодаря чему находят широкое применение на продовольственных и химических складах. Многие хозяйственники уже оценили достоинства данных изделий и активно применяют их как в складских, так и в бытовых нуждах.

направление колебаний задается поляризатором. Минерал изучается в проходящем поляризованном свете, который внешне ничем не отличается от обычного света, т. е. мы без дополнительных устройств не в состоянии определить, с каким светом имеем дело– простым или поляризованным. Для того, чтобы воспользоваться всеми преимуществами поляризованного света, необходимо использовать еще один поляризатор, который называется анализатором. Он расположен в верхней части тубуса, непосредственно перед окулярами. Анализатор можно убирать, и тогда мы рассматриваем минерал на просвет так же, как и в обычном свете. Когда же анализатор включен(николи скрещены), то наблюдаются специфические картины, зависящие от структуры минерала и его оптических свойств.

Для возможности использования поляризованного микроскопа необходимы специальные знания по кристаллооптике, т. к., используя такой микроскоп, исследователь по оптическим свойствам и явлениям, наблюдаемым только в такой микроскоп, может многое сказать о структуре минерала. Не вдаваясь в теоретические знания по кристаллооптике, мы рассмотрим некоторые практические следствия, которые можно наблюдать при работе с поляризационным микроскопом.

О ПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛОВ

Наиболее важными оптическими свойствами для идентификации минералов является оптический класс и показатель преломления.

При оптическом методе исследования применяют поляризационный микроскоп. Надо приготовить препарат из исследуемых зерен. Исследуемые зерна должны быть небольшими (при необходимости большие зерна раздавливают) – размер 0,1–0,2 мм. Они должны находится (быть погружены) в капле жидкости на предметном стекле, покрытой покровным стеклом. Иногда минералы исследуются в шлифах (тонких пластинках толщиной 0,03 мм). Пластинки наклеивают на предметное стекло специальным изотропным веществом, смолой, – канадским бальзамом и накрывают покровным стеклом. Но это больше касается изучения минералов совместно с горными породами.

Первая задача при определении минерала заключается в выяснении, к какому минеральному виду он принадлежит: является ли он корундом, цирконом, оливином или полевым шпатом. Первое предположение о природе минерала нередко можно сделать на основании его цвета, блеска и общего вида, но быть уверенным в правильности определения можно только в результате измерения той или иной его оптической или физической константы.

Прежде чем определять оптические свойства минерала, под микроскопом наблюдают его физические свойства, связанные со структурой и симметрией– это форма зерен или их обломков, спайность, трещиноватость, включения. Наличие или отсутствие спайности выявляется обычно при дроблении минерала на мелкие осколки; так минерал с хорошей спайностью образует осколки пре-

шпаты и тригональные карбонаты). В некоторых случаях под микроскопом можно определить направления или углы спайности.

Изучение прозрачности

Минералы бывают прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные. Минералы, слагающие горные породы (силикаты, алюмосиликаты, реже карбонаты и фосфаты) являются прозрачными – это оливин, пироксен, амфибол, кварц, полевые шпаты, кальцит, апатит и др. Полупрозрачными называются минералы, просвечивающие в тонких сколах, например, хромшпинелиды или гематит. Непрозрачными называются минералы, не просвечивающие даже в тонких сколах, например, пирит, халькопирит, магнетит, ильменит и др.

Изучение формы зерен

Для многих минералов форма зерен и наличие спайности являются легко наблюдаемыми диагностическими признаками, поэтому с их изучения и надо начинать определение минерала. Анизотропные минералы в зависимости от типа кристаллической решетки могут иметь т а б л и т ч а т ы,е п р и з м а т и ч е - с к и е, п л а с т и н ч а т ы е, л и с т о в а т ы е, ч е ш у й ч а т ы е, и г о л ь ч а т ы е и другие формы

Исследование включений

Включения и их характер дают представление об условиях кристаллизации несущего их минерала, от которого они отличаются размерами, формой, рельефом и цветом. Включения могут быть представлены округлыми пузырьками, тонкими игольчатыми кристалликами и неправильными образованиями(при замещении). Пузырьки заполнены газом, жидкостью, иногда тем и другим вместе и даже с участием твердой фазы– мельчайших кристалликов каких-либо минералов. Точная диагностика включений требует специальной методики. Поэтому при изучении под микроскопом ограничиваются описанием их формы и размеров, ориентировки по отношению к граням или спайности, количества, равномерности распределения в минерале и определением в первом приближении.

Определение оптического класса

Анизотропные вещества легко отличить от изотропных, если наблюдать препарат с исследуемыми зернами под поляризационным микроскопом с вв - е денным анализатором .

1. Жидкость и зерна изотропного вещества будут казаться темными и останутся такими при любом повороте столика микроскопа.

2. На большей части зерен анизотропного вещества будут наблюдаться цвета интерференции, а зерна будут становиться темными(погасать) четыре раза с интервалом в 90º при полном повороте столика микроскопа.

3. Чтобы определить, является ли анизотропный минерал одноосным (минералом средних сингоний) или двуосным (минералом низших сингоний) ис-

на, делающей свет сходящимся. Перед определением осности среди массы зерен находят наиболее тусклое серое зерно, даже когда оно находится на45º от положения максимального погасания. При включении линзы Бертрана получают одну из характерных фигур интерференции(черный крест для одноосных минералов или одну, не уходящую при вращении столика микроскопа, ветвь гиперболы для двуосных минералов). Тут же можно определитьоптический знак минерала (положительный или отрицательный), если воспользоваться дополнительными приспособлениями – кварцевой пластинкой или кварцевым клином.

Определение показателя преломления

Отклонение направления светового луча при вхождении в другую среду называется светопреломлением . Показатель преломления может быть определен как скорость света в воздухе, деленная на скорость света в среде. Скорость света в воздухе равно300 000 км/сек. С такой же огромной скоростью идет к нам свет от Солнца и звезд. В кварце (горный хрусталь, аметист) скорость света снижается до 194 000 км/сек, а в алмазе до 124 000 км/сек. Таким образом алмаз имеет показатель преломления 300 000: 124 000 = 2,42, т. е. самый высокий по сравнению с показателями преломления всех драгоценных камней, используемых в ювелирном деле, что обусловливает сверкающий алмазный блеск камня.

Измерение величин показателя преломления является важным методом определения минералов. Для каждого минерала характерен определенный показатель или показатели преломления.

Для изотропных минералов характерен только один показатель преломления, а для анизотропных – два или три крайних значения. Свет, проходя через изотропное вещество (например, воду, стекло или изотропный минерала – гранат, шпинель, флюорит) распространяется с одинаковой скоростью по всем направлениям – показатель преломления таких веществ только один.

Также вы помните, что луч света, проходя через кальцит (или другие анизотропные вещества) распадается на два луча, колебания которых взаимно перпендикулярны. Один из лучей называют обыкновенным, а другой необыкновенным. Один из лучей будет иметь максимальный показатель преломления для данного минерала, а второй, перпендикулярный первому, – минимальный. Для минералов низших сингоний существует еще и третий показатель преломления n m , промежуточный. Чем больше разница между значениями минимального и максимального показателей преломления, тем больше у минерала двупреломление. Двупреломление в отличие от показателя преломления определить под микроскопом гораздо сложнее, т. к. этот параметр зависит от толщины зерна. Двупреломление определяют в шлифах и на рефрактометре.

Перед тем как производить точные измерения показателя преломления необходимо найти ориентированное сечение минерала(обычно он должен лежать на стекле параллельно оси симметрии), в котором можно точно определить два показателя преломления – один вдоль оси, а второй – перпендикуляр-

но ей. Хотя часто бывает достаточно определить, в общем, величину показателя преломления, чтобы оценить ее как высокую, среднюю или низкую.

Показатель преломления ювелирных камней (особенно в оправе) определяют при помощи рефрактометра. Незакрепленные ювелирные камни (особенно, если у них нет ровных граней) определяют при помощи иммерсионных жидкостей. При использовании этого метода зерно погружают в каплю жидкости с известным показателем преломления и накрывают покровным стеклом. Наблюдения поверхности минерала и его контактов с жидкостью покажут -на сколько показатели преломления этих двух компонентов(минерала и жидкости) различаются между собой. Чем меньше разница в показателях преломления, тем тоньше границы зерна и тем более гладкая будет его поверхность. Сведения о том, больше или меньше показатель преломления минерала по отношению к жидкости, даст оптический эффект, который называется полоска Бекке. Это световая полоска на контакте минерала и жидкости, возникает из-за разницы показателей преломления двух сред.

По направлению движения полоски Бекке можно судить о том больше или меньше показатель преломления минерала, чем показатель преломления жидкости. Для этого надо притенить изображение, немного прикрыв диафрагму, сделать большое увеличение и осторожно опускать или поднимать столик микроскопа. Если полоска Бекке при опускании столика будет двигаться на минерал, то его показатель преломления выше, чем у жидкости, если от минерала, то наоборот.

Изучение окраски минерала и плеохроизма

Это важное свойство, которым обладают окрашенные минералы. Подавляющее большинство минералов, обладающих плеохроизмом, макроскопически его не проявляют, т. к. для этого нужны специальные условия наблюдения (на просвет), а многие, прекрасно плеохроирующие минералы из-за своего темного цвета в больших зернах, не просвечивают (например, биотит и роговая обманка). Для наблюдения плеохроизма достаточно вращать столик микроскопа и наблюдать изменение цвета минерала (без анализатора).

Несмотря на то, что минерал может быть окрашен в разных породах -по разному, у него есть какой-то чаще других встречающийся цвет, который является основным. Окраска минерала, обусловленная его внутренними свойствами, называется идиохроматической, а зависящая от примесей – аллохроматической. При прохождении через любое вещество интенсивность света всегда уменьшается, т. к. свет частично поглощается этим веществом. Если все длины волн белого света поглощаются (а б с о р б и р у ю т) равномерно, то вещество будет казаться бесцветным. Если какие-то длины волн поглощаются более интенсивно,

то вещество будет казаться окрашенным. Оптически изотропные вещества обладают равномерной абсорбцией, поэтому при вращении столика микроскопа их окраска не будет изменяться. Однако чаще всего мы имеем дело с оптически анизотропными средами, обладающими избирательной абсорбцией. Такая и з-

* Окраска является результатом суммы всех длин волн света, прошедших через данное вещество;