Є ще один цікавий факт з царини поляризаційних явищ. Трапляються середовища, показник заломлення яких різний для світла, лінійно поляризованого в тому чи іншому напрямку. Припустімо, наприклад, що є якийсь матеріал, що складається з видовжених несферичних молекул, довжина яких більша за їхню ширину; припустимо, що молекули в речовині вишикувані так, щоб їхні великі осі виявилися паралельними. Що станеться, коли на тіло подіє осцилювальне електричне поле? Припустимо, що така структура молекул сприяє тому, що електрони в матеріалі легше піддаються коливанням уздовж осі молекули, ніж упоперек неї. За таких умов слід очікувати, що поляризація в одному напрямку викликатиме один ефект, а поляризація, спрямована під прямим кутом до першої, — зовсім інший. Назвемо напрямок осей молекул оптичною віссю. Показник заломлення набуває різних значень залежно від того, чи спрямована поляризація вздовж оптичної осі, чи перпендикулярно до неї. Середовище з такими властивостями називається двопроменезаломлюючим. Воно має два різні способи заломлення, тобто два показники заломлення залежно від поляризації світла в середовищі. Які матеріали мають цю властивість? З різних міркувань випливає, що двопроменезаломлююче середовище повинно мати певну кількість орієнтованих несферичних молекул. Зрозуміло, що кубічний кристал, який має симетрію куба, не може бути двопроменезаломлюючим. А от довгі голкоподібні кристали, безумовно, містять несиметричні молекули, і в них легко спостерігати ефект двопроменезаломлення.
Спробуємо зрозуміти, що вийде, якщо спрямувати поляризований промінь на пластинку двопроменезаломлюючого матеріалу. Якщо поляризація паралельна оптичній осі, світло пройде крізь пластинку з однією швидкістю, а якщо поляризація перпендикулярна — з іншою швидкістю. Цікава ситуація виникає, якщо промінь світла поляризований, наприклад, під кутом 45° до напрямку оптичної осі. Тоді поляризація, як відомо, подається у вигляді суми поляризацій у напрямку х і у з рівними амплітудами і фазами, що показано на фіг. 33.2, а. Оскільки промені з поляризаціями вздовж осей х і y рухаються в середовищі з різною швидкістю, фази обох компонент поля зростатимуть по-різному.
Таким чином, попри збіг фаз х- та y-компонент спочатку, всередині середовища між ними з'явиться різниця фаз, пропорційна глибині проникнення світла в середовище. Зміна поляризації світла в процесі проходження крізь середовище показана в серії рисунків на фіг. 33.2. Якщо пластинка має таку товщину, що різниця фаз на виході між поляризаціями по осях х і у дорівнює 90° (фіг. 33.2, в), то світло вийде з пластинки поляризованим по колу. Пластинки такої товщини називаються пластинками в чверть хвилі, оскільки вони приводять до різниці фаз в одну четверту циклу. Пропускаючи лінійно поляризоване світло крізь дві пластинки в чверть хвилі, знову отримуємо лінійно поляризоване світло, але напрямок поляризації повернеться на прямий кут (це легко зрозуміти з фіг. 33.2, в).
Явище двопроменезаломлення легко продемонструвати за допомогою аркуша целофану. Целофан складається з довгих молекул — волокон, і його структура неізотропна, оскільки волокна здебільшого витягнуті в одному напрямку. Для спостереження явища двопроменезаломлення потрібен пучок лінійно поляризованого світла, який неважко отримати, пропускаючи неполяризоване світло крізь пластинку поляроїда. Про поляроїд ми ще поговоримо докладніше, а поки що відзначимо одну його важливу властивість: світло, поляризоване вздовж осі поляроїда, проходить крізь нього майже вільно, а світло, поляризоване перпендикулярно осі, сильно поглинається поляроїдом. Коли неполяризоване світло пропускається крізь пластинку поляроїда, проходить лише та частина світла, коливання якої паралельні осі поляроїда, тому промінь, що пройшов крізь пластинку, виявиться лінійно поляризованим. Цю властивість поляроїда використовують також для визначення напрямку поляризації лінійно поляризованого світла; крім того, за допомогою поляроїда можна визначити, чи має світло взагалі лінійну поляризацію, чи ні. Для цього достатньо пропустити світло крізь пластинку поляроїда і повертати її в площині, перпендикулярній променю. Лінійно поляризоване світло не може пройти крізь поляроїд, коли вісь поляроїда перпендикулярна напрямку поляризації променя. Повернувши пластинку на 90°, ми побачимо, що промінь, який пройшов крізь неї, лише трохи менш яскравий, ніж падаючий пучок світла. Якщо яскравість променя, пропущеного поляроїдом, не залежить від орієнтації поляроїда, падаючий пучок світла не має лінійної поляризації.
Для демонстрації двопроменезаломлення в целофані візьмемо два поляроїди і розташуємо їх, як показано на фіг. 33.3. З першого поляроїда виходить лінійно поляризований пучок світла; ми пропускаємо його крізь целофан, а потім крізь інший поляроїд, щоб урахувати дію целофану на лінійно поляризоване світло. Спочатку розташуємо осі поляроїдів перпендикулярно одна до одної і приберемо аркуш целофану. Крізь другий поляроїд світло не проходить зовсім. Тепер поставимо аркуш целофану між поляроїдами і будемо повертати його навколо осі пучка світла. При цьому, взагалі кажучи, певна частина світла весь час проходитиме крізь другий поляроїд. Є, однак, дві орієнтації аркуша целофану, перпендикулярні одна до одної, за яких світло крізь другий поляроїд не проходить. Зрозуміло, що ці орієнтації целофану не впливають на лінійну поляризацію світла, що проходить крізь нього, і тому повинні збігатися з напрямком оптичної осі целофану та перпендикулярним до нього напрямком.
Тут ми припускаємо, що швидкість світла, яке проходить крізь целофан, різна для двох зазначених напрямків поляризації, але сам напрямок поляризації під час проходження світла не змінюється. Якщо вибрати проміжну орієнтацію целофану десь між двома головними напрямками, як на фіг. 33.3, то крізь другий поляроїд пройде яскравий пучок світла. Виявляється, товщина звичайного целофану, який використовують у магазинах для пакування, дорівнює майже точно половині довжини хвилі для більшості кольорів у спектральному розкладі білого світла. Целофан такої товщини повертає напрямок поляризації лінійно поляризованого світла на 90°, якщо цей напрямок у падаючому пучку утворює кут 45° з оптичною віссю целофану. Таким чином, промінь, що виходить з целофану, має саме таку поляризацію, яка може пройти крізь другий поляроїд.
Якщо в нашому досліді використати пучок білого світла, то лише для однієї компоненти його спектрального розкладу товщина целофану збіжиться з половиною довжини хвилі, і пучок, пропущений другим поляроїдом, матиме колір саме цієї компоненти. Колір пучка, що пройшов крізь наш пристрій, залежатиме від товщини аркуша целофану, а ефективну товщину целофану ми можемо змінювати, нахиляючи аркуш під певним кутом і таким чином змушуючи світло проходити довший шлях усередині целофану. При нахилі аркуша целофану колір пропущеного пучка змінюється. Використовуючи целофан різної товщини, можна сконструювати фільтри, що пропускають промені цілком певного кольору. Ці фільтри мають ту чудову властивість, що вони пропускають один колір, коли осі двох поляроїдів перпендикулярні, і додатковий до нього колір, коли осі поляроїдів паралельні.
Системи орієнтованих молекул мають ще одне, цього разу цілком практичне застосування. Деякі пластики складаються з дуже довгих і складних молекул, скручених між собою. За дуже ретельного проведення процесу затвердіння пластика молекули, скручуючись, утворюють суцільну масу і орієнтуються рівномірно в найрізноманітніших напрямках, так що пластик зазвичай не виявляє властивості двопроменезаломлення. Але під час затвердіння часто утворюються дефекти й напруження, які призводять до певної неоднорідності матеріалу. Напруження, що виникають у пластику, як би витягують цілий пучок молекул, і молекулярні нитки орієнтуються переважно вздовж напрямку натягу. Завдяки внутрішнім напруженням пластик стає двопроменезаломлюючим, і ефект двопроменезаломлення можна спостерігати, пропускаючи крізь нього поляризоване світло. Аналізуючи пучок, пропущений пластиком, за допомогою поляроїда, ми помітимо темні та світлі смуги (забарвлені в різні кольори, якщо береться пучок білого світла). Якщо зразок піддати розтягуванню, уся сукупність смуг починає зсуватися, а підрахувавши смуги і визначивши місце їхнього найбільшого скупчення, можна знайти внутрішні напруження, що виникають у зразку. Інженери зазвичай використовують це явище як спосіб визначення напружень у деталях, форма яких важко піддається розрахунку.
Ще один цікавий приклад — двопроменезаломлення в рідинах. Розглянемо рідину, що складається з довгих асиметричних молекул, які несуть біля своїх кінців розподілений позитивний або негативний заряд, тобто молекули є електричними диполями. Стикаючись, молекули в рідині набувають будь-якої орієнтації, причому якогось переважного напрямку орієнтації не існує. Але якщо прикласти електричне поле, молекули почнуть вишиковуватися вздовж поля, і в цей самий момент рідина стає двопроменезаломлюючим середовищем. Узявши два поляроїди і прозору комірку з рідиною такого сорту, можна створити пристрій, який пропускає світло лише при увімкненні електричного поля. У результаті ми отримуємо електричний перемикач для світла, який називають коміркою Керра. А сам ефект, коли в рідині виникає двопроменезаломлення під дією електричного поля, називається ефектом Керра.
Для демонстрації двопроменезаломлення в целофані візьмемо два поляроїди і розташуємо їх, як показано на фіг. 33.3. З першого поляроїда виходить лінійно поляризований пучок світла; ми пропускаємо його крізь целофан, а потім крізь інший поляроїд, щоб урахувати дію целофану на лінійно поляризоване світло. Спочатку розташуємо осі поляроїдів перпендикулярно одна до одної і приберемо аркуш целофану. Крізь другий поляроїд світло не проходить зовсім. Тепер поставимо аркуш целофану між поляроїдами і будемо повертати його навколо осі пучка світла. При цьому, взагалі кажучи, певна частина світла весь час проходитиме крізь другий поляроїд. Є, однак, дві орієнтації аркуша целофану, перпендикулярні одна до одної, за яких світло крізь другий поляроїд не проходить. Зрозуміло, що ці орієнтації целофану не впливають на лінійну поляризацію світла, що проходить крізь нього, і тому повинні збігатися з напрямком оптичної осі целофану та перпендикулярним до нього напрямком.
Тут ми припускаємо, що швидкість світла, яке проходить крізь целофан, різна для двох зазначених напрямків поляризації, але сам напрямок поляризації під час проходження світла не змінюється. Якщо вибрати проміжну орієнтацію целофану десь між двома головними напрямками, як на фіг. 33.3, то крізь другий поляроїд пройде яскравий пучок світла. Виявляється, товщина звичайного целофану, який використовують у магазинах для пакування, дорівнює майже точно половині довжини хвилі для більшості кольорів у спектральному розкладі білого світла. Целофан такої товщини повертає напрямок поляризації лінійно поляризованого світла на 90°, якщо цей напрямок у падаючому пучку утворює кут 45° з оптичною віссю целофану. Таким чином, промінь, що виходить з целофану, має саме таку поляризацію, яка може пройти крізь другий поляроїд.
Якщо в нашому досліді використати пучок білого світла, то лише для однієї компоненти його спектрального розкладу товщина целофану збіжиться з половиною довжини хвилі, і пучок, пропущений другим поляроїдом, матиме колір саме цієї компоненти. Колір пучка, що пройшов крізь наш пристрій, залежатиме від товщини аркуша целофану, а ефективну товщину целофану ми можемо змінювати, нахиляючи аркуш під певним кутом і таким чином змушуючи світло проходити довший шлях усередині целофану. При нахилі аркуша целофану колір пропущеного пучка змінюється. Використовуючи целофан різної товщини, можна сконструювати фільтри, що пропускають промені цілком певного кольору. Ці фільтри мають ту чудову властивість, що вони пропускають один колір, коли осі двох поляроїдів перпендикулярні, і додатковий до нього колір, коли осі поляроїдів паралельні.
Системи орієнтованих молекул мають ще одне, цього разу цілком практичне застосування. Деякі пластики складаються з дуже довгих і складних молекул, скручених між собою. За дуже ретельного проведення процесу затвердіння пластика молекули, скручуючись, утворюють суцільну масу і орієнтуються рівномірно в найрізноманітніших напрямках, так що пластик зазвичай не виявляє властивості двопроменезаломлення. Але під час затвердіння часто утворюються дефекти й напруження, які призводять до певної неоднорідності матеріалу. Напруження, що виникають у пластику, як би витягують цілий пучок молекул, і молекулярні нитки орієнтуються переважно вздовж напрямку натягу. Завдяки внутрішнім напруженням пластик стає двопроменезаломлюючим, і ефект двопроменезаломлення можна спостерігати, пропускаючи крізь нього поляризоване світло. Аналізуючи пучок, пропущений пластиком, за допомогою поляроїда, ми помітимо темні та світлі смуги (забарвлені в різні кольори, якщо береться пучок білого світла). Якщо зразок піддати розтягуванню, уся сукупність смуг починає зсуватися, а підрахувавши смуги і визначивши місце їхнього найбільшого скупчення, можна знайти внутрішні напруження, що виникають у зразку. Інженери зазвичай використовують це явище як спосіб визначення напружень у деталях, форма яких важко піддається розрахунку.
Ще один цікавий приклад — двопроменезаломлення в рідинах. Розглянемо рідину, що складається з довгих асиметричних молекул, які несуть біля своїх кінців розподілений позитивний або негативний заряд, тобто молекули є електричними диполями. Стикаючись, молекули в рідині набувають будь-якої орієнтації, причому якогось переважного напрямку орієнтації не існує. Але якщо прикласти електричне поле, молекули почнуть вишиковуватися вздовж поля, і в цей самий момент рідина стає двопроменезаломлюючим середовищем. Узявши два поляроїди і прозору комірку з рідиною такого сорту, можна створити пристрій, який пропускає світло лише при увімкненні електричного поля. У результаті ми отримуємо електричний перемикач для світла, який називають коміркою Керра. А сам ефект, коли в рідині виникає двопроменезаломлення під дією електричного поля, називається ефектом Керра.