Дослід Умова. 
Науково-методичні засади вивчення теми "Нелінійні ефекти в оптиці"

Н. А. Умов використовував явище обертання площини поляризації для створення надзвичайно красивого демонстраційного досліду (дослід Умова). У збірнику, присвяченому пам’яті Умова, А. А. Ейхенвальд наступним чином описує цей дослід:

«За допомогою невеликого дзеркала, поставленого на шляху горизонтального пучка поляризованого світла, ми відхиляємо його вертикально вгору так, щоб він міг пройти по осі цієї циліндричної посудини (рис. 8).

Спершу ми наповнимо посудину водою і зробимо її каламутною надбавкою невеликої кількості розчину каніфолі в спирті. Негайно ж шлях променя вимальовується у всю висоту посудини у вигляді білого стовпа зі злегка розмитими контурами. Тільки завдяки присутності каламуті у воді ми і можемо бачити цей шлях променів (явище Тіндаля): дійсно, адже промінь світла йде вертикально вгору, а тому до нас в око безпосередньо потрапити не може; але кожна частинка каламуті розкидає світло в усі сторони дифузно і частина цього дифузно відбитого світла потрапляє в наші очі.

Однак це ще не все: виявляється, що кожна частинка, що розкидає світло, поляризує його, і, отже, може служити нам аналізатором. Припустимо, що наш горизонтальний промінь, що йде з ліхтаря, має коливання по осі ліхтаря; за цих умов шлях світла у воді буде видно, якщо дивитися праворуч і ліворуч по осі ліхтаря, але ні спереду, ні ззаду по осі ліхтаря він видно не буде.

Якщо повернути поляризатор на який-небудь кут, то на той же кут повернеться і весь стовп з його темними і світлими сторонами.

Замінимо тепер воду розчином цукру, теж злегка мутним; тоді в міру того, як промінь світла все глибше і глибше входить в розчин цукру, площина його коливань повертається, і якщо внизу посудини коливання відбувалися по осі ліхтаря, то на деякій висоті коливання ці будуть вже в іншому напрямку, під кутом до осі. Цей поворот коливань збільшується по висоті з рівномірною поступовістю, і ми бачимо, що шлях променя з його світлими і темними сторонами як би закручується в розчині цукру гвинтоподібно (рис. 9).

Якщо помістити між поляризатором і розчином цукру кристалічну пластинку, то все явище розфарбовується: стовп світла виявляється гвинтоподібно обмотаним різнокольоровими стрічками всіляких відтінків".

Рис. 10. Розклад прямолінійного коливання на два колових коливання

Френель розробив феноменологічну теорію природного обертання площини поляризації, розглядаючи його як прояв своєрідного подвійного променезаломлення. З цією метою Френель розклав плоскополяризоване коливання, що входить в оптично активне середовище, на два кругових протилежно спрямованих коливання (рис. 10). У кожен момент часу обертові вектори кругових коливань утворюють рівні кути з вектором плоскополяризованного коливання. Припустимо тепер, що обидва кругових коливання поширюються в середовищі з різними швидкостями. Тоді між ними виникне додаткова різниця фаз і порушиться вказана рівність кутів. Бісектрисою кута між векторами кругових коливань буде вже новий напрямок, відповідний новому результуючому світловому вектору. Таким чином, виникне поворот світлового вектора в бік, відповідний напрямку обертання більш швидко поширюваного в середовищі кругового коливання.

Теорія Френеля не висвітлює причини розходження швидкостей двох протилежно спрямованих кругових коливань. На це питання дає відповідь молекулярна теорія обертання площини поляризації. У молекулярній теорії доводиться враховувати кінцеві розміри молекул, що позначаються на інтерференції вторинних хвиль, що виникають в окремих частинах молекули під дією проходячої світлової хвилі.

У 1846 р. Фарадей опублікував статтю під дивною назвою «Про магнетизацію світла і висвітлення магнітних силових ліній». Фарадей розумів незвичайність такого заголовка і зробив таке пояснення: «Тема цієї статті, я думаю, привела багатьох в здивування щодо її змісту, і тому я вважаю обов’язком додати пояснювальню примітку… Я думаю, що в дослідах, описаних мною в цій статті, світло піддавалось дії магнітної сили, тобто магнетизм в силах матерії піддавався дії і в свою чергу діяв на магнетизм в силі світла «. Йшлося про відкритий Фарадеєм новий ефект обертання площини поляризації світла, що проходить крізь тіло, поміщене в поздовжнє магнітне поле. Це явище отримало назву ефекту Фарадея.

Наведена примітка Фарадея показує, що, незважаючи на невдалу назву статті, він розумів, що причиною ефектів, які він спостерігав, є не безпосередня дія магнітного поля на світло, а зміна оптичних властивостей речовини в магнітному полі.

До цих пір мова йшла лише про плоскополяризоване світло. Однак поняття поляризації світла є набагато більш загальним і обіймає набагато більше коло явищ. Поляризованим, взагалі кажучи, називають промінь, в якому існує будь-яка впорядкованість коливань. Наприклад, світловий промінь, в кожній точці якого рівномірно обертається його електричний вектор, називається поляризованим по колу. Світловий промінь, у якого кінець електричного вектора описує еліпс, називається еліптично поляризованим.

У природі еліптично поляризоване світло виходить при відображенні природного світла від металу. Розжарені метали випускають світло, що володіє деякою часткою еліптичної поляризації. Легко також отримати еліптично поляризоване світло з плоскополяризованного. Власне кажучи, ми його вже отримували в наших схемах в якості проміжного стану, але не звертали на це увагу. Справді, при проходженні світла крізь кристалічну пластинку в інтерференційних дослідах з неї виходив промінь, що складався з двох взаємно-перпендикулярних коливань, що відставали один від одного по фазі. При різниці фаз, не рівній нулю або цілому числу, додавання таких коливань дає, взагалі кажучи, рух по еліпсу, а в окремому випадку рівності осей — по колу. Таким чином, кристал кварцу, вирізаний паралельно оптичній осі і розташований відповідним чином, може перетворити плоскополяризоване світло у світло, поляризоване по колу. Кварц ж, вирізаний перпендикулярно до площини осі, просто повертає площину поляризації на деякий кут, як це зазначалося вище. Аналіз еліптично поляризованого світла полягає у визначенні осей еліпса, рівних відповідним амплітудам, і різниці фаз складаючих коливань. Для цієї мети використовують крім аналізаторів згадані вище компенсатори, які слугують для визначення різниці фаз. Еліптично поляризоване світло є найзагальнішим типом поляризованого світла; всі інші види поляризації є окремими випадками еліптично поляризованого світла, як ми це вже вказували.

З еліптичної поляризацією пов’язано найбільш загальне визначення природного світла. С. І. Вавилов пише: «Природне світло теоретично можна здійснити незліченними способами, розглядаючи його або як результат накладення однотипних еліпсів з хаотично розподіленими осями, або як суму всіляких, безладно орієнтованих еліпсів».

Висновки до розділу 1

В першому розділі з’ясовано, що нелінійний відгук атомного або молекулярного осцилятора на сильне світлове поле? найбільш універсальна причина нелінійних оптичних ефектів. У багатьох випадках істотним є також ефект електрострикції (стиснення середовища в світловому полі E).

Розглянуто Мандельштам-Бріллюенівське розсіювання (МБР) світла. Це оптичне розсіювання, яке виникає за рахунок взаємодії оптичних і акустичних хвиль. Мандельштам і Бріллюен показали, що світло, розсіяне на теплових акустичних хвилях, повинно бути зсунутим за частотою відносно падаючого світла на величину, рівну частоті зв звукової хвилі, що відповідає за розсіювання.

З’ясовано, що умови, при яких відбувається утворення сумарної хвилі з частотами, відмінними від частоти первинної світлової хвилі, називають умовами просторового синхронізму.