Двойное лучепреломление
Двойное лучепреломление, 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 Копенгагенского университета Э. Бартолином в 1669 в кристалле исландского шпата. Если световой пучок падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то он распадается на 2 пучка, один из которых продолжает путь без преломления, как и в изотропной среде, другой же отклоняется в сторону, нарушая обычный закон преломления света (рис.). Соответственно этому лучи первого пучка называются обыкновенными, второго - необыкновенными. Угол, образуемый обыкновенным и необыкновенным лучами, называется углом Д. л. Если в случае перпендикулярного падения пучка поворачивать кристалл вокруг пучка, то след обыкновенного луча остаётся на месте, в центре, а след необыкновенного луча вращается по кругу.
Д. л. можно наблюдать и при наклонном падении пучка света на поверхность кристалла. В исландском шпате и некоторых др. кристаллах существует только одно направление, вдоль которого не происходит Д. л. Оно называется оптической осью кристалла, а такие кристаллы - одноосными (см. также Кристаллооптика).
Направление колебаний электрического вектора у необыкновенного луча лежит в плоскости главного сечения (проходящей через оптическую ось и световой луч), которая является плоскостью поляризации. Нарушение законов преломления в необыкновенном луче связано с тем, что скорость распространения необыкновенной волны, а, следовательно, и её показатель преломления nе зависят от направления. Для обыкновенной волны, поляризованной в плоскости, перпендикулярной главному сечению, показатель преломления nо одинаков для всех направлений. Если из точки О (см. рис.) откладывать векторы, длины которых равны значениям nе и nо в различных направлениях, то геометрические места концов этих векторов образуют сферу для обыкновенной волны и эллипсоид для необыкновенной (поверхности показателей преломления).
Из табл. видно, что Д. л., характеризуемое величиной и знаком D, может быть положительным и отрицательным. В соответствии с этим различают положительные и отрицательные (одноосные) кристаллы. Кристалл n0 neмакс D = neмакс - n0
Исландский шпат 1,65836 1,48639 -0,17197
Кварц 1,5442 1,5533 +0,0091
Каломель 1,9733 2,6559 +0,6826
Натриевая селитра 1,587 1,336 -0,251
В прозрачных кристаллах интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей практически одинаковы, если падающий свет был естественным. Выделив диафрагмой один из лучей, получившихся при Д. л., и пропустив его через второй кристалл, можно снова получить Д. л. Однако интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей в этом случае будут различны, т. к. падающий луч поляризован. Отношение интенсивностей зависит от взаимной ориентации кристаллов - от угла j, образуемого плоскостями главных сечений того и другого кристалла (плоскости, проходящие через оптическую ось и световой луч). Если j = 0? или 180?, то остаётся только обыкновенный луч. При j = 90?, наоборот, остаётся только луч необыкновенный. При j = 45? интенсивность обоих лучей одинакова.
В общем случае кристалл может иметь две оптических оси, т. е. два направления, вдоль которых Д. л. отсутствует. В двуосных кристаллах оба луча, появляющиеся при Д. л., ведут себя, как необыкновенные.
Измерение D в тех случаях, когда Д. л. велико, может быть осуществлено непосредственным определением показателей преломления при помощи призм или специальных кристаллорефрактометров, позволяющих делать измерения n в разных направлениях. Во многих случаях (особенно для тонких слоев анизотропных тел), когда пространственное разделение двух лучей столь мало, что измерить nо и nе невозможно, измерения делаются на основании наблюдения характера поляризации света при прохождении его через слой анизотропного вещества.
Д. л. объясняется особенностями распространения электромагнитных волн в анизотропных средах. Электрическое поле световой волны E, проникая в вещество, вызывает вынужденные колебания электронов в атомах и молекулах среды. Колеблющиеся электроны, в свою очередь, являются источником вторичного излучения света. Т. о., прохождение световой волны через вещество - результат последовательного переизлучения света электронами. В анизотропном веществе колебания электронов легче возбуждаются в некоторых определённых направлениях. Поэтому волны с различной поляризацией будут распространяться в анизотропном веществе с разными скоростями.
Помимо кристаллов, Д. л. наблюдается в искусственно анизотропных средах (в стеклах, жидкостях и др.), помещенных в электрическое поле (см. Керра эффект), в магнитное поле (см. Коттона - Мутона эффект), под действием механических напряжений (см. Фотоупругость) и т. п. В этих случаях среда становится оптически анизотропной, причём оптическая ось параллельна направлению электрического поля, магнитного поля и т. п.
Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Поль Р. В., Оптика и атомная физика, пер. с нем. , М. , 1966.