Демонстрация хроматической поляризации

Даминов Рустам Валиевич, доцент кафедры общей физики
Института физики КФУ, кандидат педагогических наук

В некоторых кабинетах физики сохранились еще с ХIХ века и поныне используются в преподавании оптики так называемые «слюдяные картинки», представляющие собой миниатюрные мозаики, составленные из пластинок оптической слюды, в виде орнаментов, изображений насекомых, растений, птиц, животных и пр. В естественном свете такая картинка бесцветна. Невзрачно выглядит и ее изображение на экране, спроецированное лучами естественного (неполяризованного) белого света. Если же эту мозаику поместить меж двух поляризаторов и спроецировать с многократным увеличением на экран, то ее изображение на нем окажется расцвеченным, а при повороте одного из поляризаторов все цвета в изображении разом меняются на дополнительные: желтый – на синий, зеленый – на розовый, оранжевый – на фиолетовый и др.

Этот эффект называют хроматической поляризацией, а возникает он вследствие интерференции поляризованных пучков света. Образование необходимой для интерференции разности хода возникает вследствие различия скоростей распространения в слюде световых волн разной поляризации. Демонстрация подобных цветовых метаморфоз оказывает на наблюдателей яркое и запоминающееся впечатление. Но, поскольку изготовление таких учебных пособий требует дефицитного материала, уникальной оснастки и большого мастерства, то сегодня они стали раритетом.

Однако сегодня в обиходе имеется множество предметов со свойственной им оптической анизотропией, с помощью которых можно продемонстрировать это эффектное явление. Для этого нужно разместить между парой поляроидов предмет из прозрачной пластмассы, например, ученическую линейку или твердый футляр для DVD диска, а изображение этого предмета спроецировать на экран. Наблюдаемое на экране изображение будет окрашено радужными интерференционными пятнами и полосами в зависимости от распределения в нем остаточных механических напряжений, обуславливающих его оптическую анизотропию.

Весьма удачным объектом для демонстраций является целлофановая пленка, используемая обычно для упаковки цветочных букетов, конфетных и сигаретных коробок и пр. Некоторые образцы такой пленки обладают оптической анизотропией, возникшей при ее изготовления в момент сматывания в рулон с сильным натяжением, что уподобляет ее одноосному кристаллу. Кусок подобной пленки (рис.1), помещенный между поляризатором и анализатором, выглядит на экране окрашенным в определенный цвет в зависимости от ориентаций оптических осей а-а поляризатора, в-в анализатора и п-п пленки, а также от толщины этой пленки

Рис. 1.

Под элементами установки показаны метаморфозы, претерпеваемые вектором Е электрической составляющей световой волны по мере ее прохождения через эти элементы. В качестве поляризатора и анализатора удобно использовать поляроиды, например, поляризационные светофильтры, применяемые в профессиональной фотографии.

Если собрать коллекцию пленок, окрашивающихся между поляроидами в разные цвета, то из них можно изготовить весьма сложные художественные композиции. Технологию изготовления рассмотрим на примере получения изображения кубика, грани которого, окрашиваются (при соосности поляроидов) в оранжевый, голубой и зеленый цвета. При этом надо заметить, что весьма часто встречаются пленки неокрашивающиеся вследствие отсутствия в них оптической анизотропии. Такие пленки для изготовления «целлофановых картинок», естественно, не годятся.

Из «оранжевой» и «голубой» пленок вырезают фигуры, представленные соответственно на рисунках 2 и 3, причем ориентации их оптических осей должны совпадать. При наложении этих фигур друг на друга с частичным перекрытием их верхних частей и размещении их между поляроидами получается расцвеченное изображение куба (рис.4). Для определения же направления оптической оси пленки ее помещают между соосно расположенными или скрещенными поляроидами и, поворачивая ее,

определяют положение, при котором она выглядит бесцветной. В этом положении оптические оси пленки и поляроидов параллельны или перпендикулярны.

Изготовление более сложных рисунков, состоящих из большого количества разноцветных элементов (рис. 5), начинается с прорисовывания на бумаге контура каждого элемента будущей картины. Затем поверх каждого рисунка кладут по кусочку пленки соответствующей «окраски», причем кладут так, чтобы их оптические оси в будущей картине были ориентированы одинаково. Пленка по размерам должна превосходить контуры рисунка; края пленки приклеивают к бумажной подложке.

Рис. 5.

Элементы будущей картины вырезают ножницами вместе с бумажной подложкой по видимому на ней контуру. Затем элементы собирают воедино на стеклянной подложке, скрепляя маленькими капельками клея. Собранную картину покрывают защитным стеклом, а ее края оклеивают бумагой. Такая картина может состоять из десятков элементов с количеством слоев до пяти и более. Сюжеты для картин можно найти в книжках-раскрасках для малышей. Величина картины ограничивается размерами поляроидов и может быть до 20 см в поперечнике.

Демонстрацию опыта осуществляют в затемненном помещении с помощью кодоскопа. Для этого на его кадровое окно кладут поляроид (поляризатор), поверх него – «целлофановую картину», а ее накрывают вторым поляроидом (анализатором). Непокрытые участки кадрового окна затеняют ширмой. Демонстрируемое на экране изображение картины получается ярко расцвеченным. При повороте анализатора цвета всех деталей картины разом меняются на дополнительные, что оказывает сильное эмоциональное впечатление на наблюдателей.

Сертификат: