Явление двойного лучепреломления.

Естественный свет, падая на оптически анизотропную среду, делится на две полностью линейно поляризованные волны с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний (рис.4)

При этом одна из них, называемая обыкновенной волной О , распространяется в кристалле во всех направлениях с одинаковой скоростью и, следовательно, характеризуется постоянным значением показателя преломления n 0 . Вторая световая волна, называемая необыкновенной е , распространяется с различными скоростями в зависимости от угла, образуемого лучом и кристаллографическими осями кристалла. В связи с этим она характеризуется различными показателями преломления.

Значение показателя преломления необыкновенной волны, максимально отличающееся от n 0 , обозначается n е .

Колебания электрического вектора в необыкновенной волне совершаются в плоскости "главного сечения кристалла", то есть в плоскости, проходящей через направление распространения света и направление оптической оси, а колебания вектора в обыкновенной волне к ним перпендикулярны.

Оптическая ось кристалла – это такое направление, для которого скорости распространения обыкновенной и необыкновенной волн одинаковы. Поэтому луч, распространяющийся вдоль оптической оси, не претерпевает раздвоения и не меняет характера поляризации. В том случае, если световая волна падает на кристалл перпендикулярно к его оптической оси, то обыкновенная и необыкновенная волны распространяются по одному и тому же направлению, но с различными скоростями.

Причиной двойного лучепреломления является анизотропия поляризуемости молекул, которая ведет к тому, что диэлектрическая проницаемость, а значит, и показатель преломления среды будут различны для разных направлений электрического вектора световой волны.

Явление двойного лучепреломления используется, в частности, для получения линейно поляризованного света с помощью различных поляризационных призм (призмы Николя, Глана-Томсона и др.). Это довольно дорогие и труднодоступные приборы. Во многих случаях для получения линейно поляризованного света широко используются более доступные приборы-поляроиды.

В поляроидах используется явление оптического дихроизма , то есть явление различного поглощения обыкновенного и необыкновенного лучей. Причина дихроизма – анизотропное строение вещества. Если полимерную пленку, состоящую из весьма длинных линейных, вытянутых молекул, подвергнуть специальной химической обработке, а затем в нагретом состоянии растянуть в определенном направлении, то после охлаждения полимерные молекулы ориентируются своими длинными осями вдоль направления растяжения. Образуются "эффективные провода", расстояние между которыми меньше длины волны видимого света. Такая пленка становится анизотропной. Она поглотает составляющую электрического вектора в падающей волне, направленную вдоль "проводов", а составляющую электрического поля, поперечную проводам, пропускают с очень малым ослаблением. Это объяс­няется следующим образом. Составляющая электрического вектора в падаю­щем излучении, параллельная «проводам», вызывает перемещение электронов вдоль "проводов", которые во-первых, передают при столкновениях часть своей энергии кристаллической решетке "проводника" и, во-вторых, излучают энергию. Излучение электронов ослабляет падающее излучение. Под действием составляющей электрического вектора, перпендикулярной "проводам", электроны не мот свободно перемещаться, так как их движение ограничено малым поперечником "проволоки". Они не испускают и не поглощают энергию. Следовательно, от прохождения через "проволочную ограду" эта составляющая падающего излучения не меняется. В поляроиде существует ось, в направлении которой поглощение излучения практически отсутствует. Эта ось называется осью свободного пропускания .

ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ - расщепление пучка неполяризованного света в оптически анизотропной среде на два пучка.

Явление Д. л. было открыто Э. Бартолином в 1669 г. и описано им на примере кристалла исландского шпата (CaCO 3).

Изучение Д. л. в тканях при физиол., гистопатол. и других исследованиях может иметь важное диагностическое значение.

Если узкий пучок света падает на поверхность оптически анизотропного (см. Анизотропия) кристалла, то на выходе из него можно наблюдать два луча, один из которых называют обыкновенным, а другой необыкновенным (рис.). В одноосных кристаллах обыкновенный луч подчиняется обычным, а необыкновенный более сложным законам преломления. Обыкновенный (АВСД) и необыкновенный (АВС1Д1) лучи отличаются различной скоростью распространения и вследствие этого различными коэффициентами преломления, а также тем, что они линейно поляризованы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (см. Поляризация). Угол, образованный этими лучами, называют углом Д. л.

Явление Д. л. широко используется для получения информации о наличии оптической анизотропии (напр., вследствие формирования кристаллоподобных образований), в исследуемом биол, материале, оно позволяет судить о конформационных переходах макромолекул, перестройках мембран, комплексообразовании и т. п. Так, напр., при микроскопии мышечных волокон поперечнополосатых мышц миофибриллы обнаруживают правильное чередование светлых и темных полос. При этом более темные (плотные) полосы обладают Д. л., что указывает на анизотропность структуры. Актин, так же как и миозин, обладает Д. л., однако лишь в том случае, когда связан с ионами кальция и образует фибриллы. Этот факт позволил предположить, что при сокращении мышц происходит переход глобулярной формы актина в фибриллярную при участии ионов кальция.

Д. л. наблюдается также в костях, сухожилиях и фасциях. Хорошо выражена оптическая анизотропия коллагеновых волокон, однако в рыхлой соединительной ткани Д. л. обнаруживается с трудом вследствие спутанного расположения пучков. Эластические волокна в нерастянутом состоянии почти не обнаруживают Д. л.

В нервной ткани двоякопреломляющими являются миелиновые волокна. При развитии й гибели нервных волокон их оптические свойства изменяются. Исследование изменений Д. л. в одиночных нервных волокнах при возбуждении дало основание связать эти изменения с конформационными перестройками мембран в различные фазы развития потенциала действия (см. Проведение нервного импульса).

Феномен Д. л. с успехом используют для изучения структуры нуклеиновых к-т.

В патол, условиях Д. л. наблюдается в тканях организма очень часто. Оптически анизотропные вещества могут откладываться в ткани непосредственно или появляться в результате хим. превращений других (большей частью жировых) веществ. Примерами патол, процессов, при которых наблюдается появление в тканях оптически анизотропных веществ, являются: отложение холестериновых соединений в сосудах, роговице глаза, сухожилиях и почках в преклонном возрасте; развитие особых опухолей, называемых ксантомами, которые состоят из клеток типа макрофагов, содержащих в плазме нейтральный жир и большое количество холестеринэстеров.

Явление Д. л. наблюдается также при исследовании срезов тканей опухолей.

Библиография Волькенштейн М. В. Молекулы и жизнь, М., 1965; Ланд-сберг Г. С. Оптика, М., 1976; Левин С. В. Структурные изменения клеточных мембран, с. 172, Л., 1976

Из теории Максвелла для анизотропных сред следует интересное следствие. Некоторые кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления. Это свойство проявляется в раздваивании падающего на кристалл луча и тесно связано с поляризацией света. Впервые оно наблюдалось в кристаллах исландского шпата СаСО э. Направление, в котором не наблюдается двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла. Кристаллы, у которых такое выделенное направление является единственным, называются одноосными. К одноосным кристаллам принадлежат также кварц и турмалин. Бывают также двуосные кристаллы.

Рис. 28.2

Если через кристалл, обладающий указанным свойством, смотреть на окружающие предметы, то каждый предмет будет раздваиваться. Особенностью двойного лучепреломления является то, что один из преломленных лучей, называемый обыкновенным лучом , подчиняется закону преломления: его показатель преломления не зависит от угла падения, а падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным к отражающей плоскости в точке падения. Другой луч, называемый необыкновенным лучом, этому закону не подчиняется. Даже при нормальном падении света на поверхность кристалла необыкновенный луч обычно меняет при преломлении направление движения (рис. 28.2). Точками (перпендикулярно плоскости рисунка) и жирными короткими стрелками (параллельно плоскости рисунка) на рисунке показано направление плоскости поляризации лучей, а пунктиром - направление оптической оси кристалла. Оба преломленных луча плоскополяризованы, причем их плоскости поляризации взаимно перпендикулярны.

Двойное лучепреломление объясняется тем, что из-за анизотропии кристалла распространяющийся в нем свет имеет две характерные фазовые скорости. Если колебания в световой волне происходят параллельно оптической оси, то свет распространяется с одной скоростью. А если колебания идут в перпендикулярной оптической оси плоскости, то фазовая скорость другая. Для обыкновенной волны плоскость колебаний всегда перпендикулярна оптической оси, поэтому она имеет одинаковые скорость v 0 и показатель преломления п 0 по всем направлениям:

А необыкновенную волну можно разбить на составляющие с колебаниями вдоль и поперек оптической оси и с разной фазовой скоростью. При этом при распространении вдоль оптической оси скорость необыкновенной волны равна скорости обыкновенной (28.5). А при распространении в направлениях поперек оптической оси скорость необыкновенной волны наиболее сильно отличается от (28.5) и определяется показателем преломления п е необыкновенного луча:

Ход обыкновенных и необыкновенных лучей удооно представить с помощью волновых поверхностей. Предположим, что внутри кристалла произошли две вспышки, давшие начало распространению во всех направлениях обыкновенной и необыкновенной волн. Тогда на основании вышеприведенных рассуждений можно понять, что волновая поверхность обыкновенной волны задается сферой. В свою очередь, волновая поверхность необыкновенной волны задается эллипсоидом. При этом одна из осей эллипсоида равна диаметру сферы. Если эллипсоид вписан в сферу wv e то такой кристалл называется положительным. Если эллипсоид описан вокруг сферы и v e > v 0 , то такой кристалл называется отрицательным. Например, кристалл исландского шпага является отрицательным, причем п е = 1,49 и я 0 = 1,66.

Обыкновенный и необыкновенный лучи обычно слишком мало разведены в пространстве, и это затрудняет непосредственное использование двойного лучепреломления для изготовления поляризаторов. Приходится делать специальное устройство, называемое призмой Николя (сокращенно - николь). Оно состоит из двух прямоугольных призм из исландского шпата, склеенных слоем канадского бальзама (рис. 28.3). Обыкновенный луч сильнее преломляется, чем необыкновенный, и на границе исландский шпат - канадский бальзам испытывает полное внутреннее отражение, уходя в сторону и поглощаясь черненой поверхностью. Поэтому только необыкновенный луч проходит призму, давая плоскополяризованный луч. Вторая призма имеет вспомогательное значение и лишь спрямляет образованный луч по отношению к входящему лучу.

Фундаментальным свойством световых лучей при их прохождении в кристаллах является двойное лучепреломление, открытое в 1670 году Бартолином и подробно исследованное Гюйгенсом, опубликовавшим в 1690 году 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.” Явление двойного лучепреломления объясняется особенностями распространения света в анизотропных средах.

Если на кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу.

Даже в том случае, когда первичный пучок света падает на кристалл нормально, преломленный пучок разделяется на два, причем один из них является продолжением первичного, а второй отклоняется. Со времен Гюйгенса первый луч получил название обыкновенного (), а второй -необыкновенного ()(рис. 6).

Направление в кристалле, по которому луч света распространяется не испытывая двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла. А плоскость, проходящая через направление луча света и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью (главным сечением) кристалла. Анализ поляризации света показывает, что на выходе из кристалла лучи оказываются линейно поляризованными во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Раздвоение луча в кристалле всегда происходит в главной плоскости. Так как при вращении кристалла вокруг падающего луча главная плоскость поворачивается в пространстве, то одновременно поворачивается и необыкновенный луч. Рассмотрим некоторые наиболее простые случаи распространения света в кристалле.

1. Если луч параллелен оптической оси (рис. 7), то положение главной плоскости не определено. В частности, плоскость рисунка является главной плоскостью, но такой же является, например, и перпендикулярная ей плоскость. Условия распространения лучей с любой поляризацией одинаковы, и они не раздваиваются.

2. Если луч идет перпендикулярно оптической оси (рис. 7), то электрический вектор, лежащий в главной плоскости, параллелен оси. Электрический вектор, перпендикулярный оси, лежит при этом в плоскости, нормальной к главной, так что условия распространения для этих составляющих электрического поля световой волны неодинаковы: лучи не раздваиваются, но имеют различную скорость распространения.

3. Если луч идет под произвольным углом к оптической оси, то условия распространения указанных выше составляющих также неодинаковы: лучи распространяются по различным направлениям и с различными скоростями (рис. 7).

Луч, имеющий электрический вектор, перпендикулярный оптической оси, во всех этих случаях находится в одинаковых условиях, так что законы его распространения не должны зависеть от направления распространения; это и есть обыкновенный луч, подчиняющийся обычным законам преломления.

Второй же, необыкновенный луч во всех трех случаях находится в разных условиях (оптические свойства кристалла неизотропны), а потому и условия распространения могут усложняться ().

ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ

ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ

Раздвоение световых лучей при прохождении через анизотропную среду (напр., кристалл), обусловленное зависимостью преломления показателя этой среды от направления электрич. вектора световой (см. КРИСТАЛЛООПТИКА , ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ). При падении световой волны на анизотропную среду в ней возникают две волны с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации (см. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА). В одноосных кристаллах одна из волн имеет плоскость поляривации, перпендикулярную гл. сечению, т. е. плоскости, проходящей через направление луча света и оптическую ось кристалла (обыкновенный луч), а другая - плоскость, параллельную главному сечению (необыкновенный луч). Скорость распространения обыкновенной волны и, следовательно, для неё n0 не зависят от направления её распространения, а распространения и показатель преломления nе необыкновенной волны - зависят. Для необыкновенного луча обычные законы преломления изменяются; в частности, он может не лежать в плоскости падения. При распространении вдоль оптич. оси n0=nе и Д. л. отсутствует. Одноосные наз. положительными или отрицательными в зависимости от знака разности nе - n0. Макс. абс. величина этой разности служит числовой хар-кой Д. л. В двуосных кристаллах показатели преломления обоих лучей, возникающих при Д. л., зависят от направления распространения. Д. л. двуосных кристаллов можно характеризовать тремя главными показателями преломления.

Д. л. может наблюдаться не только в естественно-анизотропной среде, но и в среде с искусственно вызванной анизотропией, напр. при наложении внеш. поля - электрического (см. КЕРРА ЭФФЕКТ), магнитного (см. КОТТОНА - МУТОНА ЭФФЕКТ), поля упругих сил (см. ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ, ФОТОУПРУГОСТЬ).

Явление, аналогичное Д. л., наблюдается и в др. диапазонах эл.-магн. волн, напр. в диапазоне СВЧ в плазме, находящейся в магн. (а следовательно, анизотропной); (см. В ИОНОСФЕРЕ).

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ

Раздвоение светового луча при прохождении через анизотропную среду, обусловленное зависимостью показателя преломления (а следовательно, и скорости волны) от её поляризации и ориентации волнового вектора относительно кристаллографич. осей, т. е. от направления распространения (см. Кристаллооптика, Оптическая анизотропия). При падении световой волны на анизотропной среды в последней возникают две преломлённые волны, имеющие разную поляризацию и идущие в разных направлениях с разл. скоростями. Отношение амплитуд этих волн зависит от поляризации падающей волны. Различают линейное и эллиптическое Д. л. в зависимости от свойств и симметрии кристаллов.

В прозрачных немагн. кристаллах без дисперсии пространственной происходит линейное Д. л. - возникают две линейно поляризов. волны, векторы индукции к-рых D 1 и D 2 взаимно ортогональны и соответственно ортогональны векторам магн. поля H 1 и H 2 . Д. л. в кристаллах можно описать, приведя диэлектрической проницаемости . к главным осям и задав значения: - "главные показатели преломления"; величину Д. л. обычно описывают макс. разностью этих показателей преломления. При прохождении света через границу двух анизотропных сред происходит более сложное преобразование двух падающих волн в две преломлённые.

В прозрачных магн. кристаллах без пространств. дисперсии также имеет место линейное Д. л., однако векторы индукций (электрической D и магнитной В )в двух волнах не ортогональны ( ).

Д. л. в этом случае является следствием того, что электрич. и магн. проницаемости описываются разл. тензорами; в гипотетич. среде, где ( -скаляр), Д. л. отсутствовало бы (но скорости волн зависели бы от направления).

В прозрачных немагн. кристаллах с пространств. дисперсией первого порядка - гиротропией - падающая волна распадается на две волны (идущие по разным направлениям с разными скоростями), поляризованные эллиптически, причём соответственные оси эллипсов D 1 и D 2 ортогональны, а направления обхода этих эллипсов противоположны - происходит эллиптическое Д. л. В нек-рой области частот возможно появление даже большего числа волн - 3 или 4.

В кристаллах, обладающих поглощением, картина Д. л. более сложна. Как известно, волны в поглощающих средах неоднородны; векторы E, D и H, В в общем случае поляризованы эллиптически, причём эллипсы различны и ориентированы по-разному. Поэтому в общем случае имеет место эллиптическое Д. л.; эллипсы векторов двух волн D 1 и D 2 подобны, ортогональны и имеют одно направление обхода, но разные размеры вследствие анизотропии поглощения (см. Дихроизм). То же имеет место для векторов B 1 и B 2 , но эллипсы их отличаются от первых формой и ориентацией (ориентации совпадают лишь при круговой поляризации).

В зависимости от свойств симметрии анизотропной среды в ней имеется несколько избранных направлений, в к-рых Д. л. отсутствует; эти направления наз. оптич. осями. Могут быть оси изотропные, вдоль к-рых волны любой поляризации распространяются с одинаковой скоростью, и оси круговые, вдоль к-рых без Д. л. может распространяться лишь волна определ. знака круговой поляризации. Прозрачные кристаллы низших сингоний обычно имеют две изотропные оси, при симметрии выше 222 D 2 (см. Симметрия кристаллов )они сливаются в одну. При наличии поглощения кристаллы низших сингоний имеют одну изотропную ось (в частном случае ромбич. сингоний - две) и (или) несколько круговых.

Д. л. может наблюдаться не только в естественно-анизотропной среде, но и в среде с искусств. анизотропией, вызванной асимметричными деформациями, внутр. натяжениями (см. Фотоупругость), приложением акустич. поля (см. Акустооптика), приложением электрических (см. Керра эффект )или магнитных (см. Коттона - Мутона эффект )полей, анизотропным нагревом. В жидкостях возможно создание Д. л. в потоке, если жидкости или растворённого вещества обладают несферич. формой и анизотропной поляризуемостью.

Явление, аналогичное Д. л, наблюдается и в др. диапазонах эл.-магн. волн, напр. в диапазоне СВЧ в плазме, находящейся в магн. поле (а следовательно, анизотропной); см. Волны в плазме.

Лит.: Федоров Ф. И., Оптика анизотропных сред. Минск, 1958, Кизель В. А., Отражение света, M , 1973, гл. 1, 2; Федоров Ф. И., Филиппов В. В., Отражение и прозрачными кристаллами, Минск. 1976; Дорожкин Л. M. и др., Измерение показателей преломления монокристаллов методом равных отклонений, "Краткие сообщения по физике", 1977, № 3, с. 8; Stаmnеs J., Shеrman G., Reflection and refraction of an arbitrary wave at a plane interface separating two uniaxial crystals, "J. Opt. Soc. Amer.", 1977, v. 67, p. 683; Halevi P., Mendoza-Hernfindez A., Temporal and spatial behavior of the Poynting vector in dissepative media refraction from vacuum into a medium, "J. Opt. Soc. Amer.", 1981, v. 71, p. 1238.

В. А. Кизель.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ" в других словарях:

Двойное лучепреломление - (схема): MN направление оптической оси; о обыкновенный луч; е необыкновенный луч. ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ, раздвоение светового луча при прохождении через анизотропную среду. Открыто в 1670 датским физиком Э. Бартолином на кристалле исландского… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ, раздвоение светового луча при прохождении через анизотропную среду. Открыто в 1670 датским физиком Э. Бартолином на кристалле исландского шпата (CaCO3). В некоторых кристаллах, например турмалине, каждый из раздвоенных… … Современная энциклопедия

Раздвоение световых лучей при прохождении через анизотропную среду (см. Анизотропия), происходящее вследствие зависимости показателя преломления среды от направления напряженности электрического поля световой волны. Световая волна в анизотропном… … Большой Энциклопедический словарь

двойное лучепреломление - Раздвоение световых лучей при преломлении на границе с анизотропной средой. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 79. Физическая оптика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1970 г.] Тематики физическая оптика Обобщающие … Справочник технического переводчика

Оптические свойства галита и кальцита … Википедия

Раздвоение лучей света при прохождении через оптически анизотропную среду (напр., большинство кристаллов), происходящее вследствие зависимости показателя преломления от направления электрич. вектора Е световой волны. В одноосном кристалле (см.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Расщепление пучка света в анизотропной среде (например, в кристалле) на два слагающих, распространяющихся с разными скоростями и поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Д. л. впервые обнаружено и описано профессором… … Большая советская энциклопедия

Раздвоение световых лучей при прохождении через анизотропную среду (см. Анизотропия), происходящее вследствие зависимости показателя преломления среды от поляризации и ориентации волнового вектора относительно кристаллографических осей, то есть… … Энциклопедический словарь

двойное лучепреломление - Birefringence Двойное лучепреломление Оптическое явление, обусловленное наличием у кристалла различных показателей преломления для двух взаимноперпендикулярных ориентаций плоскости поляризации света. В общем случае, в двулучепреломляющих… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

двойное лучепреломление - dvejopas spindulių lūžimas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Anizotropinėje terpėje sklindančio šviesos spindulio skaidymasis į du spindulius. atitikmenys: angl. birefringence; double refraction vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas