Separarea Radiațiilor Ordinare și Extraordinare Folosind Medii Anizotrope Uniax

Abstract

An incident electromagnetic wave can be decomposed in two components linearly polarized acting on two perpendicular directions. When the two directions of electric field intensity are perpendicular, respectively parallel to the optical axis, the radiations are named ordinary and extraordinary. Some procedures for obtaining ordinary and extraordinary radiations in propagation process in uniax anisotropic media are described in this paper.

1. INTRODUCERE

Conform teoriei clasice a electromagnetismului, lumina este o undă transversală în care direcţiile de oscilaţie ale vectorilor intensitate de câmp electric şi inducţie magnetică sunt reciproc perpendiculare şi perpendiculare pe direcţia de propagare.

Planul care conţine vectorul intensitate de câmp electric şi direcţia de propagare a undei este numit plan de oscilaţie. Direcţia din mediul anizotrop în care cele două unde liniar polarizate se propagă cu aceeaşi viteză de fază se numeşte axă optică (pe direcţia axei optice există o singură valoare a vitezei de fază). Substanţele cristaline cu reţea de simetrie mijlocie au o axă optică şi de aceea se numesc substanţe anizotrope uniax. Astfel de cristale sunt spatul de Islanda (calcit, varietate de CaCO3), cuarţul, azotatul de sodiu, gheaţa etc.

Planul ce conţine axa optică şi raza incidentă se numeşte planul secţiunii principale. Faţă de acest plan, vectorul câmp electric al razei ordinare este perpendicular, iar vectorul câmp electric al razei extraordinare este paralel.

Polarizarea luminii, adică selectarea unor direcţii preferenţiale de oscilaţie ale vectorului intensitate câmp electric, se poate face prin mai multe metode:

- reflexie, când planul de vibraţie este perpendicular pe planul de incidenţa;

- refracţie, când planul de vibraţie coincide cu planul de incidenţă ;

- dubla refracţie (birefringenta), în cazul cristalelor anizotrope, când unei raze incidente îi corespund în general două raze refractate: raza ordinară şi raza extraordinară. Aceste raze sunt polarizate astfel: în raza ordinară oscilaţiile vectorului câmpului electric au loc perpendicular pe planul secţiunii principale (planul ce conţine axa optica a cristalului şi raza incidentă), iar în cea extraordinară oscilaţiile vectorului câmpului electric au loc în plan paralel cu al secţiunii principale.

- Dicroism - fenomenul de absorbţie selectiva, în funcţie de orientarea intensităţii câmpului electric al undei, relativ la sistemul principal de axe de coordonate.

- Difuzie, etc.

În acest articol ne vom referi la polarizarea prin dublă refracţie şi dicroism. Există o categorie de substante, în general cristaline, transparente si omogene, care din punct de vedere al proprietatilor optice sunt anizotrope. Aceasta înseamnă că, pentru o directie de propagare data, ele prezintă indici de refracţie diferiţi, în functie de starea de polarizare a luminii. Astfel de substante sunt numite birefringente. Un fascicul de lumina naturală, care cade pe un cristal birefringent în anumite condiţii de incidenţă, va fi împărţit în două fascicule polarizate, directiile de polarizare fiind reciproc perpendiculare

Construirea unui polarizor, adică a unui dispozitiv care permite obţinerea luminii liniar polarizate din lumina naturala, presupune găsirea unei metode de a separa cele doua fascicule. S-au construit prisme polarizoare care au în alcătuirea lor cristale birefringente combinate cu alte tipuri de materiale, pentru a obţine efectul dorit. Prismele polarizoare sunt cunoscute după numele inventatorilor lor: Nicol, Ahrens, Thomson, Foucault şi mulţi altii.

O altă categorie de polarizori care ne interesează în mod direct se bazează pe proprietatea de dicroism a anumitor cristale birefrigerente (exemplu: turmalina). Un cristal dicroic are un comportament preferential fata de cele doua componente polarizate, şi anume, absoarbe pe una dintre acestea mult mai puternic decât pe cealalta. Astfel, dacă grosimea stratului parcurs este suficient de mare, se poate obţine ca una dintre componente să fie complet absorbita, în timp ce cealaltă trece puţin atenuată. Cristalele dicroice au fost folosite pentru realizarea unor materiale polarizante, numite polarizori.

2. NOŢIUNI TEORETICE. PRISME DE POALARIZARE

Polarizarea prin dublă refracţie (birefringenţa).

Se constată experimental că dacă o rază de lumină naturală cade pe faţa unui cristal uniaxial apare fenomenul de birefringenţă sau dublă refracţie, care constă în apariţia a două raze: rază ordinară (o) şi rază extraordinară (e). (Fig.1)