Prisme de birefringenta si - respectiv - de polarizare

Prisme de birefringenta si - respectiv - de polarizare

Principalele dispozitive optice care permit obtinerea unor fascicule electromagnetice total polarizate pot fi clasificate in:

a)      prisme de birefringenta (in cazul obtinerii a 2 fascicule total polarizate, cu directii ortogonale de oscilatie a campului electric),

b)      prisme de polarizare (daca se obtine un singur fascicul total plan polarizat).

Principalele tipuri de prisme de birefringenta, respectiv de polarizare, sunt descrise in sectiunile urmatoare.

a) Prisme de birefringenta

O prisma optica cu ajutorul careia se pot obtine dintr-o radiatie (monocromatica) nepolarizatå bine-colimata (cu directie bine precizata) - doua fascicule total (liniar) polarizate, care se propaga dupa directii diferite, se numeste prisma de birefringenta, iar unghiul format de directiile celor doua fascicule total polarizate se numeste apertura a prismei de birefringenta. Desigur, pentru a putea utiliza separat fiecare dintre fasciculele total-polarizate rezultate, este de dorit ca apertura prismei de birefringenta sa fie cat mai mare cu putinta.

Dintre diferitele tipuri de prisme de birefringenta este mai frecvent utilizata prisma Wollaston, pe care o vom descrie mai jos. Prisma Wollaston (v.fig. 3.6.1) este formata din doua blocuri prismatice, cu sectiunile - triunghiuri dreptunghice, si axele optice paralele cu fata de "intrare", in planul sectiunii principale (pentru primul bloc), respectiv dupa o directie perpendicularå pe planul sectiunii (pentru al doilea bloc). Cele doua blocuri sunt alipite dupa fata corespunzand ipotenuzei sectiunii principale.

Fig. 3.6.1

La intrarea in prima prisma (bloc), razele incidente se separa - ca viteze - in componentele ordinara si extraordinara, insa pastreaza aceeasi directie (v.fig.3.6.1). De abia al doilea bloc (prisma) descompune fasciculul luminos in douå fascicule total-liniar polarizate, cu directii deosebite de propagare. Starile de polarizare obtinute, indicate in figura 3.6.1, corespund cazului in care prisma Wollaston confectionata din spat de Islanda (deci un cristal cu una din cele mai mari birefringente cunoscute: n₀ = 1,6584, n_e = 1,4865), diferentele dintre suprafetele radiale sunt mult mai mici (pana la 10%), iar unghiul format de directiile fasciculelor total polarizate emergente din prisma este de numai 5 15', pentru un unghi q format de fata comuna a celor doua blocuri cu fata de "intrare" a prismei Wollaston.

Valoarea relativ redusa a aperturii prismelor de birefringenta (uzual de ordinul gradelor sexazecimale) ingreuneaza utilizarea separata a fiecaruia dintre cele 2 fascicule total-liniar polarizate rezultate, constituind unul din motivele pentru care - de regula - pentru realizarea diferitelor aplicatii ale radiatiilor electromagnetice polarizate, se prefera obtinerea acestora cu ajutorul prismelor (de "polarizare") care dau un singur fascicul electromagnetic total-polarizat.

b) Prisme de polarizare. Legea Malus

Ob¡inerea unui singur fascicul total-polarizat cu ajutorul prismelor de polarizare se bazeaza pe devierea drastica (de obicei prin reflexie totala, cu un unghi de 90 ) a celuilalt fascicul total-polarizat fata de cel emergent din prisma si - eventual - absorbtia ulterioara a fascicului total-polarizat deviat intr-un strat opac depus pe fata laterala a prismei. Unghiul format de cele mai indepartate directii de incidenta pe fata de "intrare" a prismei de polarizare, pentru care din aceasta mai iese un (singur) fascicul total-polarizat (si nu doua, sau nici unul) se numeste apertura a prismei de polarizare.

Constructia unei prisme de polarizare trebuie sa indeplineasca si cerinta ca fasciculul total-polarizat emergent sa aiba aceeasi directie cu cel incident, fara a fi nici deplasat in raport cu acesta (directia fasciculul total-polarizat emergent sa "continue" directia de incidenta).

Cea mai utilizata dintre prismele care satisfac tuturor acestor conditii este cea construita de fizicianul englez William Nicol (1768 - 1851). O asemenea prisma, numita nicol, se obtine prin taiere dintr-un cristal de spat de Islanda, obtinut prin clivaj, si constand ditr-o succesiune de cristale romboedrice, de forma indicata in figura 3.6.2.

Pe muchiile MM',NN', care unesc capetele axelor optice ale cristalelor romboedrice se iau punctele A si B astfel incat ÐBAM' = 22 (v. figura 3.6.2). Se taie cristalul de calcit (spat de Islanda) dupa un plan ABCD care trece prin AB si este per-pendicular pe planul principal (continand axele optice, si deci MM' si NN'). Cele doua jumatati de prisma astfel obtinute

Fig. 3.6.2 se ung (pe suprafata taieturii) cu

o rasina adeziva - balsam de Canada, avand indicele de refractie (n_bc = 1,550) intermediar intre indicii de refractie corespunzand componentelor ordinara, respectiv extraordinara in directie perpendiculara pe axul optic, dupa care sunt realipite in pozitia anterioara. Se iau apoi punctele E si F, pe muchia MM', G si H pe muchia NN', astfel incat: ÐEGN' = ÐMFH = 68 , iar EA+BG = BH+AF = 3,65 L, unde L este lungimea muchiei cristalului romboedric de baza. In final, se taie prisma lunga MPNQM'N'P'Q' dupa plane perpendiculare pe planul pricipal (continand axele optice, si deci muchiile MM', NN'), trecand prin EG, respectiv FH, obtinand nicolul ELGJFKHL.

Data fiind structura complicata a nicolului, acesta este de regula reprezentat printr-un simbol, care se refera la sectiunea avand forma unui paralelogram. Intrucat distantele EA si HB de la varfurile E si H - in lungul muchiilor - la taietura nicolului sunt mici in raport cu lungimea acestuia, urma taieturii nicolului in planul principal al acestuia este reprezentata prin insasi diagonala mica a paralelogramului (reprezentat de altfel cu un raport arbitrar al lungimilor laturilor, care nu corespunde celui real; v.fig.3.6.3a).

Intrucat in unele aplicatii intervin succesiuni de nicoli care nu au toti planele principale paralele, vom folosi - pentru reprezentarea unor astfel de nicoli - si simbolul din figura 3.6.3b in care planul principal a fost indicat prin hasurare.

Mersul componentelor ordinara si extraordinara in planul principal al nicolului si separarea acestor componente a fost prezentata in figura 3.6.4, in care dimensiunile relative

Fig. 3.6.4

ale segmentelor radiale, grosimea stratului de balsam de Canada (fata de EF), etc. au fost din nou considerabil marite (in raport cu dimensiunile relative reale) pentru asigurarea claritatii reprezentarii grafice. Deoarece unghiurile de incidenta ale componentelor ordinara, respectiv extraordinara, pe suprafata taieturii (balsamului de Canada) satisfac inegalitatile:

,

componenta ordinara va suferi o reflexie totala pe suprafata taieturii (balsamului de Canada), fiind astfel deviata spre partea laterala a nicolului (unde poate fi absorbita), in timp ce componenta extraordinara trece in cea de a doua jumatate a nicolului si - in final - iese din aceasta sub forma unui fascicul total liniar polarizat (cu oscilatiile campului electric paralele cu planul principal), avand aceeasi directie cu fasciculul incident.

Apertura si celelalte caracteristici de baza ale nicolului sunt indicate in tabelul 3.6.1, in care - pentru comparatie - au fost sintetizate si caracteristicile similare ale celorlalte prisme utilizate frecvent: Foucault (confectionata tot dintr-un cristal de spat de Islanda, cu o taietura de tipul AB (v. fig. 3.6.2), dar sub unghiul M'AB= 59⁰, celelalte taieturi - efectuate prin E = A, H = B - fiind paralele cu fetele cristalului romboedric de calcit prelucrat), Glazebrook si Glan (prisme de polarizare, cu o structura oarecum asemanatoare cu cea a prismei Wollaston).

Pentru studiul modificarilor starii de polarizare a unei radiatii electromagnetice prin parcurgerea unei lame anizotrope, se utilizeaza adesea o pereche de nicoli, dintre care primul - numit polarizor (P) - produce o radiatie total-liniar polarizata, cu oscilatii ale campului electric paralele cu planul sau principal, iar cel de al doilea - numit analizor (simbol A) - permite studiul radiatiei emergente din lama, motiv pentru care poate fi rotit in jurul axului sau central (paralel cu muchiile lungi ale nicolului). In cazul in care unghiul dintre planele principale ale celor doi nicoli este θ, iar lama lipseste (sau efectele sale de absorbtie si modificare a starii de polarizare sunt neglijabile), radiatia total-liniar polarizata emergenta din polarizor (de amplitudine ) se descompune la intrarea in analizor in componenta extraordinara (de amplitudine E_oA=E_oPcosθ, paralela cu planul principal al analizorului) si in componenta ordinara (de amplitudine E_oPsinθ), care va fi deviata lateral, prin reflexie totala pe taietura cu balsam de Canada a analizorului. In conditiile in care atenuarea componentei extraordinare in analizor este neglijabila, amplitudinea sa la iesirea din analizor va fi tot E_oA=E_oPcosθ, astfel incat media temporala a densitatii fluxului de energie (vectorului Poynting) emergent de la analizor va fi corelata cu parametrul fizic similar pentru polarizor prin relatia: , numita si "legea" lui Malus.

In cazul particular in care planele principale ale celor 2 nicoli sunt perpendiculare, densitatea fluxului de energie electromagnetica emergenta de la analizor se va anula; se spune ca, in acest caz, nicolii sunt asezati la "extinctie", sau sunt "incrucisati".