background image

 

 

3201 

POLARYZACJA 

Światło  podobnie  jak  każda  fala  elektromagnetyczna  jest  falą 

poprzeczną.  

Kierunki drgań wektorów 

E i B są prostopadłe do kie-

runku rozchodzenia się fali.  

    W źródłach światła atomy 

(cząsteczki) emitujące świa-

tło  działają  niezależnie,  a 

zatem światło rozchodzące się w danym kierunku składa się z nie-

zależnych  ciągów  fal,  których  płaszczyzny  drgań  zorientowane  są 

przypadkowo wokół kierunku ruchu fali. 

Takie światło chociaż jest falą poprzeczną jest niespolaryzowane. 

Światło można jednak spolaryzować: 

B

E

 Pola-

ryzacja = ukierunkowanie 

E

k

    zwykłe światło -
- nieuporządkowane

background image

 

 

3202 

   Fala jest 

płasko spolaryzowana

 (spolaryzowana liniowo) gdywek-

tory E są do siebie równoległe we wszystkich punktach fali. Podob-

nie wektory B. 

   Drgający  wektor  E  tworzy  z  kierunkiem  ruchu  fali  płaszczyznę 

zwaną 

płaszczyzną drgań

Sposoby polaryzacji: 

(i). płytki polaryzujące - polaroidy  

Płytka przepuszcza tylko te fale, 

dla  których  kierunki  drgań  wek-

tora  elektrycznego  są  równole-

głe  do  kierunku  polaryzacji,  a 

pochłania  te  fale,  w  których  są 

one prostopadłe.  

Kierunek  polaryzacji  ustala  się 

w procesie produkcji: 

•  cząsteczki  o  strukturze  łańcuchowej  osadza  się  na  elastycznej 

warstwie plastycznej, 

•  warstwę rozciąga się, co powoduje równoległe ułożenie cząste-

czek. 

płytka
polaryzująca

background image

 

 

3203 

α

α

β

B

B

cał

k. p

ola

ryz

cz

ę

ść

. p

o

la

ry

z.

(ii). polaryzacja przez odbicie 

 

W 1809 r. Malus odkrył, że światło może być częściowo lub cał-

kowicie spolaryzowane przez odbicie.  

     Wektor E można rozłożyć na dwie składowe: 

•  składową ⊥

⊥ do płaszczyzny pada-

nia (płaszczyzna rysunku), 

•  składową II leżącą w płaszczyźnie 

padania. 

 

Dla  światła  całkowi-

cie  niespolaryzowane-

go  obie  składowe  maja 

jednakowe amplitudy.  

 

Dla  materiałów  die-

lektrycznych 

istnieje 

pewien  kąt  padania, 

nazywany 

kątem  Brew-

stera - całkowitej polaryzacji 

α

B

, gdy wiązka odbita i załamana two-

rzą kąt prosty: 

background image

 

 

3204 

α

B

 + 

β

 = 90° 

(

)

B

B

cos

90

sin

sin

α

=

α

=

β

 

B

B

B

tg

cos

sin

cos

sin

n

α

=

α

α

=

β

α

=

 

n

tg

B

=

α

Podobny  efekt  można  uzyskać  powodując  wielokrotne  odbicie  na 

stosie płytek płasko-równoległych. 

stos
płytek

ca

łk

. p

ol

ar

yz

ca

łk

. p

o

la

ry

z

 

 

 

background image

 

 

3205 

 

 

 

 

 

background image

 

 

3206 

(iii). Załamanie podwójne (dwójłomność naturalna) 

Większość ciał to 

ciała optycznie izotropowe

. - posiadają jeden 

wsp n. 

Kryształy 

anizotropowe 

(nie  izotropowe)  posiadają  wyróżnioną 

oś symetrii zwaną osią optyczną (wyróżniony kierunek).  

Prędkość  rozchodz.  fali  EM  wzdłuż  osi  opt.  jest  mniejsza  niż  w 

kierunku prostopadłym. zatem i wsp załamania różnią się. 

v

e

 > v

o

 

n

e

 < n

  

λ

e

 > λ

o

 

Pojedyncza  wiązka  rozsz-

czepia  się  na  powierzchni 

kryształu  na  dwie  ozna-

czone  przez  o  i  e  tzw. 

promień zwyczajny o

 speł-

nia  prawo  załamania  (tak 

jak  dla  ośrodka  izotropowego)  a  druga  wiązka  tzw. 

promień  nad-

zwyczajny

 e nie spełnia tego prawa. 

Mamy do czynienia z 

podwójnym załamaniem

Okazuje  się,  że  obie  wiązki  są  spolaryzowane  liniowo,  przy  czym 

ich płaszczyzny drgań są wzajemnie prostopadłe.  

 

 

wiązka
padająca

kryształ
CaCO

3

e

o

background image

 

 

3207 

 

 

 

 

 

 

 

 

Do kryształów anizotropowych należą: 

nazwa 

wz. str. 

n

e

 - n

kalcyt 

CaCO

3

 

<0 

dolomit 

CaO·MgO·2CO

2

 

<0 

syderyt 

FeO·Co

2

 

<0 

siarczek cynku 

ZnS 

>0 

kwarc  (Q) 

SiO

2

 

>0 

lód 

H

2

O   (LT) 

>0 

 

 

 

v

v

e

o

o

e

 o

p

ty

cz

na

oś ła

twiz

ny

o

e

background image

 

 

3208 

    

DICHROIZM 

Niektóre  podwójnie  załamujące  kryształy  mają  interesującą  wła-

sność  nazywaną 

dichroizmem

,  polegającą  na  tym,  że  jedna  ze 

składowych polaryzacji jest pochłaniana silniej niż druga.  

   Na tej zasadzie opiera się działanie szeroko stosowanych polaro-

idów. 

Zamiast  dużej  płytki  wyciętej  z  kryształu  można  zastosować  wiele 

małych kryształów o osiach optycznych ustawionych równolegle do 

siebie. 

światło 
niespolaryzowane

 

 

 

background image

 

 

3209 

PRAWO  MALUSA 

Żeby zanalizować natężenie światła przechodzącego przez polary-

zator rozpatrzmy ciąg fal padający na polaro-

id tak, że wektor E, o składowych E

x

 i E

y

tworzy kąt 

θ

  z kierunkiem polaryzacji płytki. 

Składowa równoległa E

y

 = Ecos

θ

 jest prze-

puszczana podczas gdy składowa prostopa-

dła E

x

 = Esin

θ

 jest pochłaniana.  

    

Postawmy teraz na drodze światła drugą płytkę polaryzującą (tak 

zastosowaną płytkę nazywamy analizatorem).  

   Jeżeli płytkę drugą (analizator) będziemy obracać wokół kierunku 

padania światła to natężenie światła przechodzącego przez obie 

płytki będzie się zmieniać osiągając minimum dla położeń różnią-

cych się o 180° tj. przy prostopadłych kierunkach polaryzacji obu 

płytek. 

 

E

y

 

E

x

 

θ 

background image

 

 

3210 

płytka
polaryzująca

 

E

y

 = E

m

cos

θ

ale   I ~ E

2

 

prawo Malusa

.                      

I = I

m

cos

2

θ

θ

θ

θ

 

Znane  są  jeszcze  inne  sposoby  otrzymywania  światła  spolaryzo-

wanego przez wymuszanie anizotropii, np.: naprężeniami, polem el. 

i magnet... 

background image

 

 

3211 

RODZAJE  POLARYZACJI 

(1) Światło spolaryzowane liniowo (w płaszczyźnie), 

(2) Światło spolaryzowane eliptycznie (w przyp. szczeg. kołowo, li-

niowo). 

Polaryzacja eliptyczna występuje w kryształach anizotropowych 

optycznie wykazujących zjawisko dwójłomności (naturalnej), np. w 

kalcycie: 

Wewnątrz kryształu dwójłomne-

go fala spolaryzowana liniowo 

rozdziela się na dwie fale (skła-

dowe) o równych amplitudach 

(bo kąt wynosi 45

o

) poruszające 

się z różnymi prędkościami. 

d

45

o

duże

V

e

 

wiązka
padająca

kryształ
CaCO

3

e

o

background image

 

 

3212 

W krysztale dwójłomnym promień nadzw. wyprzedza zwyczajny, 

np.: 

background image

 

 

3213 

Jeżeli kryształ utniemy w miejscu, w którym obydwa promienie są w 

tej samej fazie, to na wyjściu otrzymamy falę spolaryzowaną linio-

wo: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆φ

π

π

 = 0,  , 2

fala
spolaryzowana
liniowo

kryształ
dwójłomny

fala
spolaryzowana
liniowo

background image

 

 

3214 

Jeżeli kryształ przytniemy aby różnica faz różniła się o π/2: 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆φ

π/

 = n  2

fala 
spolaryzowana
kołowo

1

2 3

4 5

6 7

background image

 

 

3215 

Ogólnie: 

∆φ

π

π

 = 0,  , 2

∆φ

π/

 = n  2

- polaryzacja liniowa

- polaryzacja kołowa

każdy inny przypadek  - polaryzacja eliptyczna

background image

 

 

3216 

ZJAWISKO KERRA 

Odkryte przez J.Kerra w 1875 r. 

Jest to zjawisko powstawania optycznej dwójłomności wymu-

szonej w ośrodku spowodowane zewnętrznym polem elek-

trycznym. 

 

Własności  optyczne  ośrodka  w  kierunku  II  do  zewn.  pola  E  są 

inne niż w kierunku ┴. Powstaje anizotropia optyczna. Kierunek osi 
optycznej jest ┴ do zewn. E. 
 

Przyczyną wystąpienia zjawiska Kerra jest polaryzacja dielektry-

ka i ustawienie cząsteczek ośrodka II do kierunku pola. 
 

Stała  dielektryczna  ε

E

  w  kierunku  pola  el.  jest  inna  niż  w  pozo-

stałych  kierunkach,  więc  występuje  różnica  we  współczynnikach 
załamania n

o

 - n

e

.  

Ź

P

A

polaryzacja 
   elipt.

x

z

y

d

U

+

+

+

+ +

+

- - -

- -

-

-

background image

 

 

3217 

 

Pod wpływem pola E przyłożonego pod kątem 45

o

 do płaszczy-

zny polaryzacji światła, następuje rozszczepienie na dwie wiązki o i 
e. Różnica współcz. załamania jest proporcjonalna do E

2

n

o

 - n

e

 = k E

2

k - wsp. proporcjonaln. 

l

o

 = n

o

 d,        i       l

e

 = n

e

 d, 

skąd różnica dróg optycznych:   ∆l = l

o

 - l

e

 = d (n

o

 -n

e

∆l = d k E

2

 = d k/λ E

2

 λ, 

Stała Kerra: K = k/λ,   

2

2

2

V

m

m

V

m

]

K

[

=

=

d

E

K

l

2

λ

=

                   ∆l ~  E

2

 , λ, d. 

 

Dobierając  odpowiednio  wartość  E  można  zmieniać  różnicę 

dróg optycznych. 
 

Efekt szybki - anizotropia optyczna znika po t ~ 10

-10

 s po wyłą-

czeniu pola el. 
 

Komórki  Kerra  stosuje  się  m.in.  do  szybkiej  modulacji  światła 

(np. w kinematografii, w zapisie dźwiękowym...). 
 

 

Silny efekt Kerra wykazują niektóre ciecze dielektryczne: 

ciecz: 

K  [mV

-2

chloroform 

358 10

-16

 

anilina 

181,0 

cykloheksan 

7,9 

czterochlorek węgla 

8,2 

aceton 

1807,0 

nitrobenzen 

35 050 

 

 

background image

 

 

3218 

ZJAWISKO FARADAYA 

Zjaw. Faradaya polega na skręceniu płaszczyzny polaryzacji świa-
tła spolaryzowanego liniowo, biegnącego w ośrodku umieszczonym 
w silnym polu magnetycznym.  
 

W konfiguracji tej światło jest przepuszczane wzdłuż lini sił pola 

magnetycznego B. 

Ź

P

A

+ + + + + + + +

B

magnes

polaryzacja 
   elipt.

 

Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji:   

α = k B l

gdzie: B - wielkość indukcji pola magnet., l - długość ośrodka,  
k - stała Verdetta (zdolność ośrodka do skręcenia p.p.). 

(

)

p

l

n

n

l

2

λ

π

=

α

 

Zj.  Faradaya  tłumaczy  się  wpływem  pola  magnetycznego  na 

różną  prędkość  rozchodzenia  się  w  danym  ośrodku fali spolaryzo-
wanej kołowo lewo- i prawo-skrętnie. 
 

Zj.  magnetycznego  skręcenia  płaszcz.  polaryz.  wywołane  jest 

zmianami  precesji  elektronów  swobodnych  w  atomach  i  cząstecz-
kach pod wpływem B ( proces szybki ∆t ≈ 10

-9

 s). 

background image

 

 

3219 

Ź

P

A

polaryzacja 
   elipt.

x

z

y

ZJAWISKO COTTONA-MOUTONA (VOIGHTA) 

Jest to zjawisko powstawania optycznej dwójłomności wymu-
szonej  w  ośrodku  spowodowane  zewnętrznym  polem  magne-
tycznym. 
Zjawisko odkryte: 

-  w cieczach przez A.Cottona i H.Moutona, 
-  w  parach  i  gazach  przez  Voighta  (w  ciałach  stałych  znane  jako 

zjawisko Voighta).  

Największe  znaczenie  praktyczne  ma  zj.  Voighta  występujące  w 
półprzewodnikach i magnetykach. 
 

Zjawisko  występowania  anizotropii  optycznej  (podwójnego  za-

łamania)  jest  podobne  do  obserwowanego  w  kryształach  jedno-
osiowych. 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Różnica dł. dróg opt.: 

optycznych:     

∆l = d(n

o

 - n

e

) = C H

2

 λ d 

gdzie: d - dł. ośrodka, C - st. Cottona-Moutona, H - natężenie pola 
magn., λ - dł fali.