Двойное лучепреломление
Прежде чем мы перейдём к поляризованному свету в биологии, нужно коснуться последнего термина, с которым придётся иметь дело. «Двойное лучепреломление» – одно из тех приятных слов, обозначающих именно то, как они звучат; оно означает наличие двух показателей преломления. Все вещества имеют разные показатели преломления для разных длин волн света. Это называется «дисперсия» и является причиной радуг и «огня» в огранённых алмазах. Однако небольшое число веществ имеет значительно отличающиеся показатели преломления для света разных поляризаций. Кальцит является классическим двоякопреломляющим веществом и довольно распространен в биологическом мире, поэтому мы будем использовать его в качестве примера (рисунок 8.5).
Кристалл кальцита имеет так называемую «оптическую ось», которая определяется его кристаллической структурой. Свет с поляризацией, параллельной этой оптической оси, испытывает показатель преломления 1,486 при прохождении через кристалл. Свет с поляризацией, перпендикулярной этой оси, имеет показатель преломления 1,658. Это большая разница, большая достаточно, чтобы преломлять два луча заметно по-разному и создать двойное изображение на другой стороне большого кристалла. Фактически, он настолько большой, что с применением некоторой умной геометрии можно направить один из двух лучей в совершенно другом направлении и передавать свет только одной поляризации. Первые поляризаторы были сделаны таким образом, и высококачественные поляризаторы, лежащие в основе дифференциальных интерференционно-контрастных микроскопов, по-прежнему являются крупными кусками кальцита. Призмы Николя и Волластона, а также их различные собратья – произведения искусства. Тем не менее, они ужасно дороги, поэтому хорошо, что Лэнд изобрёл фильтры Polaroid.
Помимо создания дорогостоящих поляризаторов, что можно сделать с помощью двоякопреломляющих материалов? Несмотря на то, что вы иногда слышите, сами лучепреломляющие материалы не поляризуют свет, они только передают две поляризационные компоненты на разных фазовых скоростях. Это различие, однако, изменяет фазовое соотношение между двумя компонентами и, таким образом, может преобразовать один тип поляризации в другой. Как мы обсуждали ранее, в линейно поляризованном свете две перпендикулярные поляризационные компоненты имеют одинаковую фазу. Однако, если этот свет проходит через двоякопреломляющее вещество, свет одной из поляризаций будет проходить быстрее, чем другой, и соотношение фаз больше не будет равно нулю. Другими словами, вы измените линейно поляризованный свет на эллиптически поляризованный свет. Если двоякопреломляющее вещество имеет всего лишь нужную толщину, и вы ориентируете его так, чтобы быстрая и медленная оси (низкий и высокий показатель преломления) составляли 45° к e-вектору падающего линейно поляризованного света, выходящий с другой стороны свет будет иметь фазы на 90° и, следовательно, будет круговой поляризации (см. рисунок 8.6 для примера того, что может делать фильтр для половины волны).
Другими словами, вы можете использовать этот предмет, называемый «четвертьволновой пластинкой» (поскольку 90° составляет одну четверть полного 360-градусного цикла волны), чтобы превратить линейно поляризованный свет (на заданной длине волны) в свет круговой поляризации или наоборот.
Многие минералы являются двоякопреломляющими, а геологи десятилетиями используют поляризационную микроскопию в качестве инструмента исследования (и делают красивые снимки). В принципе, прозрачный кусок камня помещается между двумя поляризаторами, которые находятся под углом 90° друг к другу. Эти два поляризатора, как их называют, «скрещенные», в идеале не должны пропускать почти никакой свет. Однако любое двоякопреломляющее вещество между ними преобразует некоторый линейно поляризованный свет в эллиптически поляризованный свет, или даже в линейно поляризованный свет с другой осью e-вектора, часть которого затем может пройти через второй поляризатор. Таким образом, можно видеть яркие области передачи света двоякопреломляющими веществами на фоне, который должен был бы быть чёрным.
Вид двойного лучепреломления, изучаемый геологами, обычно является внутренним двоякопреломлением, что означает, что он является свойством самой структуры кристалла. Внутреннее двоякопреломление существует и в тканях животных, но чаще двойное лучепреломление – это то, что называется «двоякопреломлением формы». Двоякопреломление формы обусловлено организацией молекул, в частности длинными параллельными полосками волокон или молекул. Субстанции такие как мышцы и соединительная ткань, могут, таким образом, иметь существенное двойное лучепреломление. Растяжение некоторых пластмасс также может привести к тому, что молекулы выстроятся в линию, создавая двоякопреломление формы, которое называется «двоякопреломлением стресса». Наденьте солнцезащитные очки Polaroid во время вождения, и вы заметите тёмные пятна на своём лобовом стекле или стёклах других машин, каждое размером с небольшой отпечаток ладони. Они вызваны двоякопреломлением стресса/формы из-за процессов, связанных с формированием плоского листа стекла в лобовое стекло автомобиля. Источником поляризованного света, который позволяет вам видеть это, как правило, является либо поляризованное голубое небо (если вы смотрите в собственное ветровое стекло), либо частично поляризованный отраженный свет от какого-то соседнего стекла или блестящего объекта, например, капота вашего автомобиля. Вы можете сделать свое собственное двоякопреломление стресса, растягивая целлофан между перекрёстными поляризаторами. Я потратил немалую часть своего детства на это.