Поляризация света и связанные с ней явления

Развитие теории оптической активности тесно связано с изучением её дисперсии - зависимости α от λ. Ещё Био установил, что в исследованных им случаях α тем меньше, чем больше λ (φ ~ λ–2). Такая дисперсия характерна для т. н. нормальной оптической активности - вдали от длин волн λ0, на которых в оптически активном веществе происходит резонансное поглощение. Дальнейшие исследования показали, что для объяснения оптической активности существен учёт изменения поля световой волны на расстояниях порядка размеров а молекулы (при описании многих других оптических явлений таким изменением можно пренебречь).

Одним из решающих этапов выяснения природы оптической активности явилось открытие Л. Пастером в 1848 г. оптических антиподов - веществ, неразличимых по всем физическим (и многим химическим) свойствам, кроме направления вращения плоскости поляризации (отличаясь знаками, удельные оптическией активности двух антиподов равны по абсолютной величине). Оказалось, что оптические антиподы (кристаллические решётки в кристаллах, отдельные молекулы в аморфных, жидких и газообразных оптически активных веществах - такие молекулы называются оптическими изомерами) являются зеркальными отражениями друг друга, так что никакими перемещениями и поворотами в пространстве не могут быть совмещены один с другим при полном тождестве образующих их элементов. Для молекул каждого из оптических изомеров характерна пространственная асимметрия - они не имеют плоскости зеркальной симметрии и центра инверсии.

Оптически активные вещества - это среды, обладающие естественной оптической активностью. Оптически активные вещества подразделяются на два типа. Относящиеся к первому из них оптически активны в любом агрегатном состоянии (сахара, камфора, винная кислота), ко второму - активны только в кристаллической фазе (кварц, киноварь). У веществ первого типа оптическая активность обусловлена асимметричным строением их молекул, у веществ второго типа - специфической ориентацией молекул (ионов) в элементарных ячейках кристалла (асимметрией поля сил, связывающих частицы в кристаллической решётке). Кристаллы оптически активных веществ всегда существуют в двух формах - правой и левой; при этом решётка правого кристалла зеркально симметрична решётке левого и не может быть пространственно совмещена с нею (т. н. энантиоморфные формы). Оптической активности правой и левой форм оптически активные вещества второго типа имеют разные знаки (и равны по абсолютной величине при одинаковых внешних условиях), поэтому их называется оптическими антиподами (иногда так называют и кристаллы оптически активных веществ первого типа).

Молекулы правого и левого оптически активного вещества первого типа являются оптическими изомерами. Продукт химической реакции без участия такого агента - всегда смесь оптических изомеров в равных количествах, т. н. рацемат. Физические свойства рацемата и чистых оптических изомеров зачастую различны [4]. Например, температура плавления рацемата несколько ниже, чем чистого изомера. Рацемат разделяют на чистые изомеры либо отбором энантиоморфных кристаллов, либо в химической реакции с участием асимметричного агента - чистого изомера или асимметричного катализатора, либо микробиологически. Последнее свидетельствует о наличии асимметричных агентов в биологических процессах и связано со специфическим и пока не нашедшим удовлетворительного объяснения свойством живой природы строить белки из левых оптических изомеров аминокислот - 19 из 20 жизненно важных аминокислот оптически активны. Применительно к оптически активным веществам первого типа термины “левый” (L) и “правый” (D) - условны в том смысле, что не соответствуют непосредственно направлению вращения плоскости поляризации в них, в отличие от этих же терминов для оптически активных веществ второго типа или терминов “левовращающий” и “правовращающий”. Физиологическое и биохимическое действие оптических изомеров часто совершенно различно. Например, белки, синтезированные искусств, путём из D-aминокислот, не усваиваются организмом; бактерии сбраживают лишь один из изомеров, не затрагивая другой; L-никотин в несколько раз ядовитее D-никотина. Удивительный феномен преимущественной роли только одной из форм оптических изомеров в биологических процессах может иметь фундаментальное значение для выяснения путей зарождения и эволюции жизни на Земле.

 

Поляризационные устройства и приборы

 

На многих из перечисленных в разделе явлений основаны принципы действия разнообразных поляризационных приборов, с помощью которых не только анализируют состояние поляризации света, испускаемого внешними источниками, но и получают требуемую поляризацию и преобразуют одни её виды в другие.

 

Простейшие поляризационные устройства

 

В простейших поляризационных устройствах - поляризаторах для получения полностью или частично поляризованного света используется одно из трёх физических явлений: поляризация при отражении света или преломлении света на границе раздела двух прозрачных сред; линейный дихроизм; двойное лучепреломление.

Свет, отражённый от поверхности, разделяющей две среды с разными показателями преломления n, всегда частично поляризован. Если же луч света падает на границу раздела под углом, тангенс которого равен отношению абсолютных показателей преломления второй и первой сред (их относительный показатель преломления n=n2/n1), то отражённый луч поляризован полностью. Недостатки отражательных поляризаторов - малость коэффициента отражения и сильная зависимость степени поляризации р от угла падения и длины светова. Преломленный луч также частично поляризован, причём его степени поляризации монотонно возрастает с увеличением угла падения. Пропуская свет последовательно через несколько прозрачных плоскопараллельных пластин, можно достичь того, что степень прошедшего света будет значительна. 

 Среды, обладающие оптической  анизотропией, по-разному поглощают  лучи различных поляризаций. Если  толщина пластинки, вырезанной из  анизотропного кристалла (с полосами  поглощения в нужной области  спектра) параллельно его оптической  оси, достаточна, чтобы один из  лучей поглотился практически  нацело, то прошедший через пластинку  свет будет полностью поляризован. Такие поляризаторы называют  дихроичными. К ним относятся и поляроиды, поглощающее вещество которых может быть как кристаллическим, так и некристаллическим. Важные преимущества поляроидов - компактность, большие рабочие апертуры (максимальные углы раствора сходящегося или расходящегося падающего пучка, при которых прошедший свет ещё поляризован полностью) и практически полное отсутствие ограничений в размере.

Пластинки из оптически анизотропных материалов, вносящие сдвиг фазы между двумя взаимно перпендикулярными компонентами электрического вектора Е проходящего через них излучения (соответствующими двум линейным поляризациям), называют фазовыми, или волновыми, пластинками и предназначены для изменения состояния поляризации излучения. Так, циркулярные или эллиптическимие поляризаторы обычно представляют собой совокупность линейного поляризатора и фазовой пластинки. Для получения света, поляризованного по кругу (циркулярно), применяют фазовые пластинки, вносящую сдвиг фазы в 90° (пластинка четверть длины волны). Двулучепреломляющие фазовые пластинки изготовляют как из материалов с естественной оптической анизотропией (например, кристаллов), так и из веществ, анизотропия которых индуцируется приложенным извне воздействием - электрическим полем, механическим напряжением и пр. Применяются также отражательные фазовые пластинки, например ромб Френеля. Принцип их

Рисунок 3 - Ромб Френеля из оптического стекла.

действия основан на изменении состояния поляризации света при его полном внутреннем отражении. Преимуществом отражательных фазовых пластинок перед двупреломляющими является почти полное отсутствие зависимости фазового сдвига от длины волны. В частности, в ромбе Френеля (рис 3) при близком к нормальному падении луча света, поляризованного линейно под углом 45° к плоскости падения, линейные составляющие луча, поляризованные параллельно и перпендикулярно этой плоскости,

при каждом из двух полных внутренних отражений приобретают разность фаз в одну восьмую периода световой волны. Итоговая разность фаз в одну четвертую периода (90°) даёт луч, поляризованный по кругу.

Поляризаторы, действие которых основано на явлении двойного лучепреломления - поляризационные призмы. Их апертуры меньше, чем у поляроидов, а габариты, вес и стоимость больше; однако они всё же незаменимы в ультрафиолетовой области спектра и при работе с мощными потоками оптического излучения.

Все поляризаторы (линейные, циркулярные, эллиптические) могут использоваться не и как поляризаторы, и как анализаторы. Анализ эллиптически поляризованного света производят с помощью компенсаторов разности хода, простейшим из которых является четвертьволновая фазовая пластинка. Часто проблему деполяризации частично поляризованного излучения обычно решают не истинной деполяризацией (это сложная задача), а сводят её к созданию тонкой пространственной, спектральной или временной поляризационной структуры светового пучка.

 

   2.2  Поляризационные призмы

 

Поляризационные призмы служат линейными поляризаторами - с их помощью получают линейно поляризованное оптическое излучение. Обычно поляризационные призмы состоят из двух или более трёхгранных призм, по меньшей мере одна из которых вырезается из оптически анизотропного кристалла. Конструктивно поляризационные призмы выполняют так, что проходящее через них излучение должно преодолеть наклонную границу раздела даух сред, на которой условия преломления света для компонент светового пучка, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, резко различаются [5, 6]. В частности, для одной из этих компонент на границе раздела могут выполняться условия полного внутреннего отражения, в результате чего через поляризационную призму проходит лишь др. компонента. Таковы, например, широко распространённые однолучевые призмы Николя и Фуко (рис 4).

а	б
Рис 4 - Призма Николя (а, склейкалей канадским бальзамом, чернение нижней грани призмы поглощает полностью отражаемый от плоскости склейки о-луч) и укороченная поляризационная призма Фуко (б, с воздушным промежутком). Штриховка указывает направление оптических осей кристаллов в плоскости чертежа; направления вектора Е указаны на лучах стрелками (колебания в плоскости рисунка) и точками (колебания перпендикулярны плоскости рисунка)

 

Двухлучевые поляризационные призмы пропускают обе взаимно перпендикулярно линейно поляризованные компоненты исходного пучка, пространственно разделяя их. Чаще всего их изготовляют из исландского шпата СаСОз, прозрачного в диапазоне длин волн λ= 0.2¸2 мкм, и кристаллического кварца SiO2, прозрачного в диапазоне 0.185¸3.5 мкм. Призмы, из которых состоят однолучевые поляризационные призмы, склеивают прозрачным веществом с показателем преломления n~(no+ne)/2. В некоторых призмах  их части разделены воздушной прослойкой, что снижает потери на поглощение.

Рисунок 5 - Линейный поляризатор из стекла и исландского шпата (оптическая ось шпата перпендикулярна плоскости рисунка)

Применяют поляризационные призмы, в которых кристаллическая пластинка вклеена между двумя призмами из стекла, показатель преломления которого близок к большему показателю преломления кристалла (рис 5). В таких поляризационных призмах проходит обыкновенный луч, а отражается необыкновенный.

Для того чтобы один из лучей претерпевал на границе раздела (склейки) полное внутреннее отражение, выбираются определённые значения преломляющих углов трёхгранных призм и, как правило, определённые ориентации оптических осей кристаллов, из которых они вырезаны. Такое отражение происходит, если углы падения лучей на поляризационную призму не превышают некоторых предельных значений, как в призмах Глана-Томсона (рис 6), Глана (рис 7), Глазебрука (рис 8), Франка-Риттера (рис 9) и др.

	Рисунок 6 - Поляризационная призма Глана-Томсона. Клей - канадский бальзам (апертура полной поляризации ε=I1+I2=27,5°) или льняное масло (ε= 41°), ε=76.5°. Предельные углы I1 и I2, сумма I1+I2 называется апертурой полной поляризации поляризационной призмы; её величина существенна при работе с поляризационными призмами в сходящихся пучках излучения
	Рисунок 7 - Поляризационная призма Глана. АВ - воздушный промежуток; оптические оси обеих трёхгранных призм перпендикулярны плоскости рисунка
Рисунок 8 - Поляризационная призма Глазебрука. Оптические оси кристаллов обеих прямоугольных призм перпендикулярны плоскости рисунка; при склейке в плоскости АВ канадским  бальзамом угол a=12.1°, льняным маслом -14°, глицерином - 17.3°
Рисунок 9 - Поляризационная призма Франка-Риттера: а - вид сбоку, б - вид по ходу луча. Клей - канадский бальзам; оптические оси кристаллических прямоугольных призм направлены под углом 45° к плоскости рисунка а и под углом 90° к плоскости колебаний вектора Е  необыкновенного луча (его плоскости поляризации)

 

 

  Среди двухлучевых поляризационных  призм распространены также призмы  Рошона, Сенармона, Волластона и некоторые др. (рис 10). Один из двух пропускаемых лучей в поляризационных призмах Рошона и Сенармона не меняет своего направления, другой (необыкновенный) отклоняется на угол θ~5¸6°, сильно зависящий от длины волны света: θ=(nо-ne)tgα, где α - преломляющий угол трёхгранных призм. Поляризационная призма Волластона даёт удвоенный угол расхождения лучей 2θ~10°, причём при перпендикулярном падении отклонения лучей симметричны; эта поляризационная призма применяется в поляризационных фотометрах, спектрофотометрах и поляриметрах. Угол а в поляризационной призме из исландского шпата близок к 30°, из кристаллического кварца - к 60°.

 

Рисунок 10 - Двухлучевые поляризационные призмы: а - Рошона; б - Сенармона; в - Волластона; г - призма из исландского шпата и стекла; д - Аббе. Штриховка указывает направление оптических осей кристаллов в плоскости рисунка; точки означают, что оптическая ось перпендикулярна плоскости рисунка; стрелки и точки на лучах указывают направления колебаний вектора Е

 

Таким образом, для поляризационных призм, как правило, характерны незначительная апертура полной поляризации, однако они практически лишены хроматической аберрации. В поляризационных призмах со скошенными гранями проходящий луч испытывает параллельное смещение, поэтому при вращении призмы вокруг луча последний также вращается. От этого и некоторых иных недостатков свободны призмы в форме прямоугольных параллелепипедов. В то же время, не смотря на высокую стоимость и относительно большие размеры, поляризационные призмы незаменимы при работе в УФ области спектра и в мощных потоках оптического излучения и позволяют получать однородно поляризованные пучки, степень поляризации которых лишь примерно на 10-5 отличается от 1.

 

2.3  Приборы для поляризационно-оптических исследований

 

В настоящее время существует множество приборов для поляризационно-оптических исследований, которые отличает чрезвычайное разнообразие как сфер применения, так и конструктивного оформления и принципов действия. Их используют для фотометрических и пирометрических измерений, кристаллооптических исследований, изучения механических напряжений в конструкциях, в микроскопии, в поляриметрии и сахариметрии, в скоростной фото- и киносъёмке, геодезических устройствах, в системах оптической локации и оптической связи, в схемах управления лазеров, для физических исследований электронной структуры атомов, молекул и твёрдых тел и др. Описанию многих из этих приборов посвящены отдельные работы. Мы дадим лишь краткий обзор некоторых основных классов подобных приборов.