3.4.3. Двойное лучепреломление

Почти все прозрачные кристаллические диэлектрики оптически анизотропны, т.е. оптические свойства света при прохождении через них зависят от направления. Вследствие этого возникает двойное лучепреломление, состоящее в том, что падающий на кристалл пучок света разделяется внутри кристалла на два пучка, распространяющиеся в разных направлениях и с разными скоростями.

Существуют кристаллы одноосные и двуосные.

У одноосных кристаллов

· один из преломленных пучков подчиняется обычному закону преломления (). Его называют обыкновенным и обозначают индексом о.

· Другой пучок необыкновенный (е), он не подчиняется обычному закону преломления, и даже при нормальном падении светового пучка на поверхность кристалла необыкновенный пучок может отклоняться от нормали. Необыкновенный луч не лежит в плоскости падения.

Наиболее сильно двойное лучепреломление выражено у таких одноосных кристаллов, как кварц, исландский шпат и турмалин.

рис.3.4.5.У одноосных кристаллов имеется направление – оптическая ось ОО^/ :

· вдоль которого обыкновенная и необыкновенная волны распространяются, не разделяясь пространственно и с одинаковой скоростью.

· не является какой-то особой прямой линией.

· характеризует лишь избранное направление в кристалле и может быть проведена через произвольную точку кристалла.

Любую плоскость, проходящую через оптическую ось, называют главным сечением или главной плоскостью кристалла.

Обыкновенная и необыкновенная волны линейно поляризованы.

В обыкновенной волне колебания вектора совершаются в направлении, перпендикулярном главному сечению кристалла для обыкновенного луча.

В необыкновенной волне колебания же вектора – в главном сечении кристалла для необыкновенного луча.

Из рисунка видно, что плоскости поляризации обеих волн (о и е) взаимно ортогональны.

Оба луча, вышедшие из кристалла, отличаются друг от друга только направлением поляризации, поэтому названия «обыкновенный» и «необыкновенный» имеют смысл только внутри кристалла.

Существуют кристаллы, в которых один из лучей (о или е) поглощается сильнее другого. Это явление называется дихроизмом и присуще минералам сложного состава (турмалин).

Рассмотрим физическую природу двойного лучепреломления.

Особенности распространения света в среде определяются интерференцией первичной и вторичной волн, излучаемых молекулами вещества в результате их электронной поляризации под действием электрического поля световой волны. Поэтому оптические свойства среды полностью характеризуется электрическими свойствами молекул (атомов, ионов), их взаимным расположением и взаимодействием друг с другом. Если молекулы электрически изотропны, то их свойства (поляризуемость) не зависят от направления; если анизотропны - зависят.

Оптическая анизотропия кристалла может быть обусловлена как электрической анизотропией образующей его частиц, так и анизотропией поля сил взаимодействия между частицами.

Анизотропность этого поля зависит от степени симметрии решётки кристалла. Изотропнны только кристаллы, имеющие кубическую решётку (например, NaCl).

Будем рассматривать кристалл как однородную среду

· с электрической поляризуемостью c_e

· и относительной диэлектрической проницаемостью e

e = 1+c_e.

Значения e и c_e неодинаковы в различных направлениях, поэтому оптическая анизотропия немагнитных кристаллов является следствием анизотропии их относительной диэлектрической проницаемости.

рис. 3.4.6 Рассмотрим оптически однородную среду, которая не поглощает электромагнитные волны и оптически неактивна.

проведём из точки О по всем направлениям радиусы-векторы ,

где - значение диэлектрической проницаемости в данном направлении. Поверхность, проходящая через концы радиусов - векторов , имеет форму эллипсоида и называется оптической индикатрисой среды. Оси симметрии этого эллипсоида взаимно перпендикулярны и определяют три главных направления в среде.

Уравнение оптической индикатрисы: x²/e_x + y²/e_y + z²/e_z=1,

e_x, e_y, e_z - значения e вдоль главных направлений, они называются главными значениями диэлектрической проницаемости среды.

· Если e_x=e_y=e_z, то значения e одинаковы по всем направлениям, среда изотропна.

· Если e_z?e_y?e_x - анизотропный кристалл, называется двуосным.

· Если e_x?e_y=e_z - одноосный кристалл, ОХ - оптическая ось, вдоль любого направления, перпендикулярного к ОХ, значения e одинаковы. Одноосный кристалл оптически

- положительный, если e_x>e_y=e_z,

- оптически отрицательный, если e_x