> Техника, страница 72 > Поляризационные приборы

Поляризационные приборы

Поляризационные приборы, оптич. системы, в которых применяются и имеют существенное значение свойства поляризованного света (смотрите Поляризация света); они весьма многочисленны и разнообразны. П. п. могут быть(названы различные виды фотометров и спектрофотометров, поляриметры и сахариметры, полярископы, поляризационные микроскопы, некоторые колориметры, нефелометры и приборы для смешения цветов; существуют поляризационные оптические пирометры и дальномеры; П. п. применяют для исследованияупругихдефор-маций в прозрачных телах, в агрегатах для телевидения и говорящего кино, для целей секретной оптич. телеграфии в военном деле и прочие Нек-рые из этих П. п. описаны в специальных статьях Т. Э., здесь изложена конструкция основных частей, входящих в том или ином виде в оптич. систему каждого П. п. Наличие этих частей в различных сочетаниях и является практич. признаком П. п. Свет, входящий в П. п., д! б. уже поляризованным или поляризуется в сайтом приборе. Для этой цели применяют т. н.поля-риз а т о р ы, которые могут быть осуществлены различным образом (смотрите ниже). Состояние поляризации света, выходящего из П. п., исследуется при помощи анализатора, устройство которого м. б. также различным. Помимо поляризаторов и анализаторов в П. п. иногда помещают и другие поляризационные части, гл. обр. двоякопрело-мляющие пластинки и призмы и компенсаторы (смотрите). Одни и те же части могут служить (по крайней мере принципиально) как поляризаторы или анализаторы или применяться в качестве промежуточных частей.

1. Кристаллические поляризационные призмы, выделяющие линейно поляризованный свет. Для получения линейно поляризованного света в большинстве случаев удобнее всего воспользоваться поляризацией, при двойном преломлении в крист: компоненты двойного преломления поляризованы полностью, прохождение света через ^кристалл сопровождается от носительно малыми потерями в интенсивности; оперировать с проходящим пучком света в приборах по конструктивным соображениям значительно удобнее, чем с отраженным. Однако для применения кристалла в качестве линейного поляризатора или анализатора необходимо устранить один из лучей двойного лучепреломления, так как смешивающиеся лучи поляризованы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Такое устранение одного из лучей в естественных условиях имеет· место в поглощающих крист (смотрите Дихроизм), например в турмалине, широко применяющемся в простейших П. п.; пластинки нек-рых зеленых разновидностей турмалина пропускают практически только один луч при толщинах в 1 миллиметров; нек-рые разновидности андалузита при незначительных толщах гасят почти полностью один из компонентов синих лучей и пропускают без ослабления другой и т. д. Недостатками дихроичных кристаллов в качестве поляризаторов являются весьма значительное в общем случае ослабление пропущенного света, не совсем полная поляризация и окраска. Поэтому дихроичные кристаллы применяют гл. обр. в П. п., предназначенных для качественных наблюдений. Для искусственного устранения одного из лучей двойного преломления в крист пользуются почти исключительно принципом, предложенным и осуществленным Никол ем. Если распилить кристалл (фигура 1) и затем

склеить его снова веществом с подходящим показателем преломления, то при соответствующем подборе 1) плоскости распила, 2) показателя преломления клея и 3) пределов углов падения для лучей, входящих в кристалл, можно достигнуть того, что один из лучей двойного преломления будет испытывать полное внутреннее отражение при переходе из кристалла в клей, другой же луч пройдет дальше через клей и кристалл наружу. Принцип конструкции Николя м. б. обращен. Если тонкую кристаллическую пластинку (фигура 2), вырезанную подходящим

Фигура 2.

образом, поместить в плоскопараллельную кювету, наполненнуюжидкостью с подобранным для данной цели показателем преломления п, то можно достигнутьэтого, что через пластинку кристалла пройдет только один луч, второй луч испытает полное внутреннее отражение (Жамен, Фейссенер, Брее). Системы последнего типа не получили широкого распространения, наоборот, на первоначальном принципе Николя построены почти все существуюнГие типы поляризационных призм.

Призма Николя в ее первоначальном виде устроена след. обр. (фигура 1). Материалом, как и для большинства других видов П. и., служит исландский шпат. В удлиненном ромбоэдре естественного кристалла грани АС и АС образуют с ребром АС угол в 71°. Эти грани сначала сошли-•фовываются т. о., что угол наклона уменьшается до 68°, и оптич. ось АА_Х образует с лобовыми гранями CD и DC угол в 48°. Кристалл распиливается далее по плоскости FF, перпендикулярной к указанным лобовым граням и к плоскости главного сечения. Распиленные части снова склеиваются тонким слоем канадского бальзама. Угол плоскости распила с боковыми ребрами составляет 22°. Длина кристалла наиболее экономным образом выбирается так, чтобы распил проходил через вершины Ώ и Ώ, в этом случае=2,6. Для лучей, падающих на призму Николя параллельно боковым ребрам, обыкновенный луч (п₀= 1,658 для λ= =589 ηιμ) претерпевает полное внутреннее отражение на границе с бальзамом (тα=1,55), необыкновенный луч, имеющий в данном случае,п_е= 1,52, слабо отражается на границе кристалла с бальзамом и большей частью проходит через слой бальзама и выходит из призмы. Отраженный обыкновенный луч для правильного действия призмы должен в возможно большей степени поглотиться на боковых гранях кристалла, для чего последние покрываются черным лаком, приготовленным на веществе с тα= 1,658, во избежание заметного обратного отражения обыкновенного луча. Призма Николя (или николь) действует как поляризатор только для ограниченного конуса падающих лучей, непараллельных боковым ребрам. В плоскости главного сечения (фигура 3) только

для лучей, падающих внутри угла SIS== 29°, николь будет функционировать как поляризатор. Все лучи, падающие в точке I ниже SI, совсем не будут выходить из призмы; все лучи, падающие в I выше Sl, будут выходить неполяризованными. Угол SIS, расположенный приблизительно симметрично относительно направления, параллельного боковым ребрам призмы, называется полем зрения призмы. Недостатками николя являются: 1) смещение лучей вследствие того, что лобовые грани сильно наклонены по отношению к боковым ребрам и выходящий луч—необыкновенный; при вращении николя пучок выходящих лучей вращается эксцентрично; 2) необходимость удлиненных кристаллов, требующих большого расхода ценного материала—оптически чистого исландского шпата; 3) ограниченность поля зрения; 4) косое положение оптич. оси относительно боковых ребер призмы. Последнее обстоятельство вызывает отсутствие полного потемнения поля зрения при рассматривании источника света ко нечных размеров через два скрещенных николя. Пусть световой луч, относящийся к параллельному пучку (фигура 4), падает на николь, оптическая ось которого изображается прямой АА, далее все _|Ч.

параллельные лучи, относящиеся к одной

светящейся точке, собира- I ются линзой L в некото- [ рой точке О плоскости Р. {

Направление световых ко-

лебаний в точке О опре- 1

делится, если из центра |

линзы С провести прямые ч ].

СО и CI, параллельные на правлению луча, выходя- ф_ЛГ. 4. щего из призмы и оптич. оси. Колебания необыкновенного луча происходят в плоскости главного сечения, поэтому плоскость COI и будет плоскостью колебаний в точке О. Для всякой другой светящейся точки изображение получится в другом месте плоскости Р, и следовательно плоскость колебания будет несколько повернута. Для всех точек, лежащих в плоскости изображения Р на прямой 01 и ее продолжении, колебания очевидно будут направлены одинаково; эти направления составляют т. о. гомоцентрич. пучок прямых, сходящихся в I (фигура 5, а). Если источник конечных размеров рассматривается через два скрещенных николя, характеризуемых одинаковыми гомоцентрич. пучками (фигура 5, б), то полное затемнение получится только в тех местах, где прямые гомоцентрич. пучков пересекаются под прямым углом, в остальных местах будет полутень (черная полоса Ландольта—Липпиха). Только в том случае, если точка I (фигура 4) уйдет в бесконечность, то есть оптич. ось будет перпендикулярной к боковым граням, гомоцентрич. пучок обратится в параллельный (фигура 5, в) и скрещенные поляризационные призмы будут давать практически почти полное затемнение (призмы с нормальным полем). Существует большое число поляризационных призм из исландского шпата,

Фигура 5.

построенных на принципе полного внутреннего отражения, в которых указанные недостатки призмы Николя устраняются в большей или меньшей степени.

Шульц дает нижеследующую классификацию значительного числа поляризационных призм. А. Оптическая ось перпендикулярна к

10

Т. Э. т. XVII.

плоскости, проходящей через боковые ребра призмы и перпендикулярной к плоскости распила (фигура 6). В. Оптич. ось лежит в плоскости, проходящей через боковое ребро призмы и перпендикулярной к поверхности распила: а) лобовые грани наклонены к боковым ребрам (фигура 1); b) лобовые грани перпендикулярны боковым ребрам (фигура 7). С. Оптическая ось расположена иначе, чем в группе А и В. К призмам группы А относятся весьма совершенные поляризационные призмы Томсона, Глана и Глазебрука. В первоначальной призме В. Томсона ось

/Ж

Фигура 6.

Фигура 7.

находилась в плоскости распила, но лобовые грани, как и в николе, оставались скошенными. Такие призмы, дающие почти полное затемнение, в скрещенном положении смещают, как и николь, параллельные лучи. В призмах Глана, находящих широкое применение в окулярных вращающихся частях П. п., лобовые грани перпендикулярны к боковым ребрам (фигура 6). В первоначальной призме Глана вместо канадского бальзама находился тонкий слой воздуха (воздушная призма). В призме Глазебрука распиленный кристалл склеен канадским бальзамом или ^х льняным маслом. Для работы с широкими световыми пучками Аренс конструировал сложную тройную призму (фигура 8), являющуюся по существу двумя склеенными призмами Глазебрука. Галле предлагает и дальнейшее усложнение этой призмы по принципу Аренса (фигура 9). К группе В, а относится призма Николя и ее разнообразные вариации: укороченные ни-коли, николи с квадратным поперечным сечением (Галле) ипр. К этой же группе от-

Фигура 8.

Фигура 9.

Фигура 10.

носится призма Фуко, предназначаемая для тех случаев, когда желательно использовать широкий, почти параллельный пучок лучей (например при проекции). В этой призме (фигура 10) слой канадского бальзама заменен тонким слоем воздуха, и лобовыми гранями служат естественные грани ромбоэдра. Если плоскость распила образует угол в 59° с боковыми ребрами, то ^7=0,9,то есть притом же отверстии призма Фуко втрое короче николя. Поэтому призма Фуко сравнительно дешева и может изготовляться с отверстиями громадных размеров (10—100 см²). К группе В, b относятся николи с нормальными лобовыми гра нями, не представляющие однако существенных преимуществ; смещение выходящего луча остается и в этих призмах, поскольку наружу выходит необыкновен

Фигура 11.

ный луч. К этой же группе принадлежит более совершенная призма Гассерта и Гарт-нака-Празмовского (фигура 11). Призма имеет нормальные лобовые грани и склеена льняным маслом, показатель преломления которого равен наименьшему (главному) показателю преломления необыкновенного луча; оптич. ось располагается нормально к плоскости распила. Преимущество призм этого типа—большое поле зрения. При угле наклона плоскости распила в 17° и длине призмы в 3,4 раза большей ширины поле зрения достигает 35°. Группе С соответствует призма, предложенная Риттером и Франком. По конструкции она похожа на призмы Глана и Глазебрука, с тем отличием однако, что плоскость распила не связана с определенным положением оптической оси: последняя лежит в плоскости нормальных лобовых поверхностей. Фейснер приводит следующую таблицу, характеризующую свойства различных призм: φ—поле зрения, а—угол, образуемый плоскостью распила с боковым ребром, г—отношение длины призмы к поперечной ширине.

Характеристики различных призм.

№	Форма призмы	<Р°	а°	Г
1	Призма Николя..	29	22	3,28
2	Укороченная призма Николя: а) склеенная канадским бальзамом ..	13	25	2,83
	b) склеенная копайским бальзамом ..	24	25	2,83
3	Призма Николя с нормальными лобовыми поверхностями: а) канадский бальзам.	20	15	3,73
	Ь) клей с п—1,525.	27	15	3,75
4	Призма Фуко..	8	40	1,53
5	Призма Гартнака-Празмовского: а) первоначальная.	35	15,9	3,51
	Ь) с бблыпим полем зрения.	41,9	13,9	4,04
	с) поле зрения 30°.	30	17,4	3,19
	d) поле зрения 20°.	20	20,3	2,70
6	Призма Глана..	7,9	50,3	0,83
7	Призма Глазебрука: а) склеенная канадским бальзамом ..	35	12,1	4,65
	Ь) склеенная льняным маслом.	42	14,0	4,02

Наряду с исландским шпатом для изготовления поляризационных приборов иногда применяют кристаллы натронной селитры, обладающей двойным преломлением, еще бблыпим, чем у шпата. Применение тех или иных форм призм в П. п. определяется в известной мере рыночной стоимостью призм. Большие оптически чистые кристаллы исландского шпата редкий очень дороги, с другой стороны, поляризационные призмы с естественными гранями проще обрабатываются, чем призмы с нормальными гранями, и ценятся значительно дешевле. Для точных П. п. (например поляриметров) почти исключительно применяют призмы типа Глана и Глазебрука; они же ставятся в тех случаях, когда призмы должны вращаться (например в окулярах многих П. п.). Для целей проекции весьма удобны призмы Фуко и призмы типа Аренса, последние однако трудны для изготовления. В тех случаях, когда необходимо работать с ультрафиолетовыми лучами, применяются воздушные призмы, то есть призмы с воздушной прослойкой (Фуко, Глан), т. к. канадский бальзам даже в тонких слоях практически нацело поглощает ультрафиолетовые лучи, начиная приблизительно с 350 Μμ. О специальных призмах для поляриметров см. Поляриметры.

Д в о я к о п р ел ом л я ю щи е кристаллические призмы. Наряду с призмами, пропускающими только один поляризованный луч, применяются также двойного преломления призмы, в которых два луча расходятся на значительный угол и м. б. посредством диафрагм легко отделены один от другого. Призма Рошона (фигура 12) со-

r s w

стоит из двух прямоугольных призм из исландского шпата, соединенных канадским бальзамом (бальзам служит здесь только для склеивания). В первой призме оптическая ось перпендикулярна лобовой поверхности, во второй—параллельна лобовой поверхности и плоскости склейки. Обыкновенный луч выходит без изменения направления, необыкновенный—отклоняется на угол, зависящий от преломляющего угла. В призме Се-нармона(фигура 13), действующей подобно призме Рошона, оптические оси в двух склеенных призмах направлены по линии штриховки на фигуре 13. В призме Волластона (фигура 14) в обеих склеенных призмах оптич. оси параллельны лобовым поверхностям, но в выходной призме оптич. ось параллельна плоскости склейки. Оба луча при выходе отклоняются. Наряду с этими призмами, изготовленными целиком из исландского шпата (или иногда из кварца), применяются также комбинированные призмы из стекла и кристалла. На фигуре 15 изображена призма из кронгласа и стекла, действующая подобно призме Рошона, на фигуре 16—тройная призма Аббе, в которой призма из исландского шпата с преломляющим углом в 60° заключена между двумя стеклянными призмами. Обе эти призмы, как и призмы Волластона, имеют недостаток хроматизма, т. к. углы отклонения зависят от длины волны. В призмах

Фигура 1S. Фигура 16.

Рошона и Сенармона обыкновенный, не отклоняющийся луч—ахроматичен. Призма Волластонаимеетширокоеприменение в различных фотометрах и спектрофотометрах, где приходится сравнивать яркость двух полей, освещенных светом, поляризованным в двух взаимно перпендикулярн. плоскостях. Все указанные призмы функционируют правильно только при параллельных пучках, отвесно падающих на входную поверхность.

2. Другие виды линейных поляризаторов и анализаторов. Свет поляризуется теоретически нацело при правильном отражении под углом Брюстера, удовлетворяющим формуле tg φ=η (смотрите Отражение света).Практически однако свет, отраженный под этим углом, поляризован слегка эллиптически. Интенсивность света, отраженного под углом Брюстера, очень мала (для гг =1,5 она составляет 7,4% падающего света, для и=2,0 составляет 18,0%). Кроме того по конструктивным соображениям пользоваться отраженным светом неудобно. Поэтому отражательные поляризаторы применяются только в простейших П. п. для целей демонстраций и в тех случаях, когда требуется поляризация (хотя бы неполная) очень широких пучков света (например в приборах для оптич. изучения упругих деформаций больших прозрачных моделей). Для устранения света, отраженного от второй поверхности поляризующей пластинки, вторая поверхность покрывается черным лаком или применяется черное стекло. Свет поляризуется также при преломлении, но не полностью (смотрите Отражение света). Для увеличения степени поляризации применяется несколько стеклянных пластинок (стопа). При падении лучей на стопу под углом Брюстера при п=

=1,5 требуется семь параллельных пластинок для получения поляризации на 95%. На фигуре 17 даны кривые, показывающие степень поляризации света, ^го прошедшего через 1, 2,3,4 пластинки в зависимости от угла падения. В измерительных П. п. стеклянные стопы применяются для деполяризации света в определенное число раз (смотрите Полярископ). Неоднократно предлагались, но не нашли широкого применения линейные поляризаторы в виде кристаллич.

Фигура 18.

линз. Если из исландского шпата приготовить линзу, ось которой перпендикулярна к оптич. оси кристалла, то фокусные расстояния для обыкновенного и необыкновенного лучей будут находиться в отношении 1 :1,35 (фигура 18)," поэтому, применяя кольцевую диафрагму или круглый маленький экран, можно выделить определенным образом поляризованный свет. Для получения и анализа эллиптически и по кругу поляризованного света применяются по преимуществу двояко-преломляющие кристаллические пластинки (сш.Компенсаторы). Эллиптич. поляризация при полном внутреннем отражении (смотрите Отражение света) применена Френелем для построения кругового поляризатора (фигура19). Если световой луч, линейно поляризован-

*10

ный под углом 45° к плоскости падения, падает под углом 48°37 на стеклянный параллелепипед (и=1,51), то после двукратного отражения из параллелепипеда Френеля выходит луч, поляризованный по кругу.

Лит.:×в о л ь с о н О. Д., Курс физики, т. 2, Берлин, 1923; Handbuch d. Experimentalphysik, hrsg. v.W.Wien u. F. Harms, B.18, Lpz., 1928; BrulatG., Traltd de polarimdtrie, P., 1930; HalleB., Handbucb d. praktisehen Optik, B.—Nikolassee, 1921; M a s c a r t E., Traitb d’optique, P., 1893; Bouasse H., Op-tique cristalline, P., 1925; Schulz H. u. & 1 e i-clen A., Die Polarisationsapparate u. ihre Verwen-dung, Stg., 1919; Grosse W„ Die gebrauchliehen Polarisationsprismen, Klaust.hal, 1889. С. Вавилов.