Поляризатор является своеобразным селектором. Из всего многообразия
колебаний электрического вектора он выделяет одно, преобразуя
естественный свет в поляризованный. Первые поляризаторы были изготовлены
из двулучепреломля-ющего кристалла.
Призменные поляризаторы
В 1828 г. Николь изготовил первую поляризационную призму. Вскоре
появилось целое семейство призм Николя (рис. 51 а - е), которые
отличаются ориентацией оптической оси кристалла. Обычно они ромбической
формы, и ось кристалла не совпадает с их входной поверхностью. Состоят
призмы из двух половин, склеенных по диагонали. Естественный свет первой
половиной призмы делится на обыкновенный и необыкновенный лучи. На
границе двух половин обыкновенный луч отражается, а необыкновенный
проходит сквозь поляризатор. Призма Николя -
это первый качественный поляризатор. В продолжении столетия слова
<николь> и <поляризатор> были синонимами.
В призме Николя было одно неудобство - луч, проходя сквозь нее,
смещался. Появившаяся вскоре призма Глана устранила этот недостаток и
постепенно вытеснила призмы Николя из практики. Сейчас известны
несколько вариантов призмы Глана. Все они прямоугольной формы, ось
кристалла в них ориентирована вдоль входной поверхности (рис. 51, ж -
м). Поляризующая способность призм Глана очень высока, в отдельных
случаях она достигает значения 0,99999.
Как уже отмечалось, призмы Николя и Глана пропускают только один
поляризованный луч, их называют однолуче-выми поляризаторами. Чтобы
получить два луча одновременно - обыкновенный и необыкновенный -
используют двухлу-чевые поляризаторы, например, призмы Рошона, Сенармона
и Волластона (рис. 52). Сравним рис. 51 и 52. На первый взгляд, одно- и
двухлучевые поляризаторы мало чем отличаются. Все они состоят из двух
или трех кристаллических элементов. Но посмотрим, как ориентированы
оптические оси кристаллов. В однолучевом поляризаторе оси всех элементов
ориентированы одинаково, в двухлуче-вом - перпендикулярно. Это и
обусловливает различие в работе поляризаторов.
Проследим поведение света в призме Рошона. Неполяризованный свет
разлагается первым элементом на обыкновенный о и необыкновенный е лучи,
которые распространяются в одном направлении и с одинаковой скоростью.
Перейдя во второй элемент, обыкновенный луч сохраняет скорость и
направление, что нельзя сказать о необыкновенном луче. В результате из
поляризатора лучи выходят под некоторым углом друг к другу (10...15°),
который зависит от длины волны излучения и от конструкции призмы: от
угла среза ее элементов а, от материала, из которого они изготовлены.
Рис. 51. Однолучевые призмы Николя (а - е) и
Глана (ж - м): о - обыкновенный луч; е - необыкновенный луч. Стрелкой и
крестом показаны направления оптической оси вдоль и перпендикулярно
плоскости рисунка соответственно
Рис. 52. Двухлучевые призмы Рошона (а),
Сенармона (б) и Волластона (в): о - обыкновенный луч; е - необыкновенный
луч. Стрелкой и крестом показаны направления оптической оси вдоль и
перпендикулярно плоскости рисунка соответственно
В отличие от призмы Рошона призма Волластона одинаково отклоняет как
обыкновенный, так и необыкновенный лучи, поэтому угол между ними в два
раза больше, чем у призм Рошона и Сенармона. Это очень удобно при
конструировании приборов.
Изготовляют призменные поляризаторы обычно из исландского шпата СаСОз.
Этот кристалл хорошо обрабатывается, химически стойкий. Но самое главное
его достоинство - большое двулучепреломле-ние. Однако запасы исландского
шпата в мире невелики, поэтому поляризаторы из них дорогие. Это
заставило ученых искать более дешевые материалы. Появились поляризаторы
из искусственных кристаллов дигидрофосфата аммония (его обозначают
обычно АДР), азотнокислого натрия NaN03, кварца. Но ни один из них не
может конкурировать с исландским шпатом. Кристаллы АДР и NaN03
растворяются в воде, поэтому во влажных помещениях качество поверхностей
призм ухудшается, и их периодически переполировывают. А
двулучепреломляющие свойства кварца оказываются недостаточными для
создания удобных в работе поляризаторов. Но как ни хорош исландский
шпат, и он не лишен недостатков. Под лучами мощного лазерного излучения
в нем появляются заметные следы разрушения. Более луче-прочными
оказались искусственные кристаллы ортованата иттрия YV04 и хлорида
ртути.
Не только механическая и химическая прочность кристаллов интересует
разработчиков поляризаторов. Важно также, в какой области спектра
кристалл пропускает свет. С этой точки зрения исландский шпат достаточно
универсален, он прозрачен в ультрафиолетовой, видимой и ближней
инфракрасной областях спектра. У ортованата иттрия граница прозрачности
несколько сдвинута в сторону инфракрасного диапазона. УФ лучи хорошо
пропускают кристаллы флуорида магния.
Не менее важно правильно выбрать и материал склейки элементов
поляризатора. Показатель преломления его должен быть одинаково близок
как для обыкновенного, так и для необыкновенного лучей. Он должен быть
химически стойким, не поглощать свет.
В видимой и ближней ИК областях неплохо себя зарекомендовали бальзам
пихтовый и бальзамин. Иногда применяют льняное и маковое масло. УФ лучи
хорошо пропускают глицерин и гедамин (раствор мочевиноформальдегидных
смол в бутиловом спирте). Их коротковолновая граница поглощения лежит на
уровне 0,140 мкм. Для более коротковолнового диапазона пока еще не
получили удовлетворительных клеев. Элементы поляризатора для этой
области обычно не склеивают, а оставляют между ними тонкую воздушную
прослойку. Последнее время появилась новая технология соединения
элементов поляризатора - методом оптического контакта. Суть метода
проста: хорошо обработанные поверхности притираются. Такое соединение по
прочности не уступает склеенному. Разъединить элементы так же сложно,
как и разнять два мощных разнополюсных магнита.
Пленочные поляризаторы (поляроиды)
При всех достоинствах призменные поляризаторы имеют один недостаток -
высокую стоимость. В этом отношении более выигрышными оказались
поляризаторы из дихроичных материалов - поляроиды.. Первоначально была
сделана попытка изготовить поляроид из природного дихроичного материала
- монокристалла турмалина. Но это достаточно редкий минерал, да и в
природе встречается небольших размеров. Тогда пошли по другому пути.
Ленд предложил заменить монокристалл большим числом тонких
монокристаллов или длинными дихроичными молекулами и ориентировать их в
одном направлении. Для этого достаточно внедрить их в эластичную
полимерную пленку и растянуть ее. В результате дихроичные частицы или
молекулы, которые первоначально имели произвольное направление,
стремятся расположиться вдоль направления растяжения.
Обычно пленку изготовляют из поливинилового спирта и окрашивают йодом.
Растянутая изотропная пленка становится двулучепреломляющей, приобретая
подобие одноосного кристалла, а йод придает ей дихроичные свойства.
Естественный свет, проходя через такую пленку, разлагается на
обыкновенный и необыкновенный лучи. Обладая дихроичными свойствами,
пленка пропускает только луч, поляризованный перпендикулярно направлению
растяжения, другой луч она поглощает.
Есть и другой способ получения поляроида. Суть его состоит не в
присоединении к поливиниловому спирту дихроичного йода, а в отщеплении
от него атомов кислорода и водорода. В результате в поливиниле
появляется небольшое количество поливиниленовых молекул. Они и придают
дихроичные свойства растянутой поливиниловой пленке. Такой поляроид
удовлетворительно работает в большей части видимого спектра, но вблизи
длинноволновой границы эффективность его снижается. Эту границу можно
расширить до 2,7 мкм, если поливиниленовую пленку окрасить йодом.
Пленочные поляризаторы можно изготовлять достаточно большой площади (до
1 м2). Легко сделать поляроид среднего качества, но далеко не просто
получить высококачественную пленку больших размеров. Влияют многие
факторы: толщина пленки, степень ее растяжения, количество введенного
йода, время термообработки. Например, при увеличении времени
термообработки повышается степень поляризации поляроида, но уменьшается
пропускание света, а спектральный диапазон сдвигается в длинноволновую
область. Следует избегать неравномерного растяжения пленки, так как
участки разной толщины неодинаково пропускают свет. Кроме того, при
неравномерном растяжении пленки нарушается параллельность цепей
дихроичных молекул, поэтому направление пропускания света в разных
участках пленки становится неодинаковым. Особенно это сказывается в
поляроидах больших размеров. И тем не менее по поляризующей способности
наиболее удачные образцы поляроидов приближаются к призменным (99,95 %),
чего нельзя сказать о пропускании света (40 %).
Работать с поляроидами надо весьма аккуратно. Они не обладают
механической и термической прочностью призменных поляризаторов. Перегрев
их может привести к ослаблению и даже потере поляризационных свойств. А
при длительном освещении йодосодержащие пленки постепенно
обесцвечиваются. И все же у поляроидов есть неоспоримые достоинства: они
легкие, тонкие, их можно применять в сильно сходящихся или расходящихся
пучках света, и, что немаловажно, они дешевы.
