12798

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА. Естественный и поляризованный свет

Лабораторная работа

Физика

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 35 ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Естественный и поляризованный свет Свет является электромагнитной волной т.е. волной в которой происходят колебания векторов и – вектор напряженности электрического поля – вектор напряженности магнитного поля...

Русский

2013-05-03

296 KB

62 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 35

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Естественный и поляризованный свет

Свет является электромагнитной волной, т.е. волной, в которой происходят колебания векторов  и  ( – вектор напряженности электрического поля,  – вектор напряженности магнитного поля). Электромагнитная волна поперечна, так как колебания векторов  и  перпендикулярны направлению ее распространения. Таким образом, три вектора ,  и скорость распространения волнового фронта  взаимно перпендикулярны и образуют правую тройку векторов. Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора. Поэтому его принято называть световым вектором. В дальнейшем мы будем говорить только о векторе  (направление вектора  всегда можно определить, зная направление ).

Естественный свет (т.е. свет, испускаемый обычными световыми источниками) есть совокупность световых волн со всевозможными направлениями колебания вектора , перпендикулярными к лучу света, быстро и беспорядочно сменяющими друг друга. Такой характер колебаний обусловлен спецификой излучения света. Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых его атомами. Процесс излучения отдельного атома длится около 10–8 с. За это время испускается цуг волн протяженностью примерно 3 м. Через некоторое время после излучения атом возбуждается и снова начинает излучать. Одновременно испускают энергию множество атомов. Цуги волн, излучаемые ими, накладываются друг на друга, образуя световую волну. Нам одновременно приходится наблюдать излучение огромного числа атомов, посылающих свет с различным направлением колебаний векторов  и . Кроме того, в естественном свете наблюдается быстрая смена этих ориентацией.

Свет, направление колебаний в котором упорядочены каким-либо образом, называют поляризованным. Свет, в котором имеется единственное направление колебаний вектора  (а, следовательно, и ), называют плоскополяризованным. Если конец вектора  описывает эллипс – эллиптически-поляризованным. В случае, если конец вектора  описывает окружность, свет называется поляризованным по кругу.

Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора , но при этом имеются и другие направления колебаний, называют частично поляризованным.

Поляризация при отражении

и преломлении света на границе двух диэлектриков

Одним из способов получения поляризованного света является его отражение и преломление на границе раздела двух изотропных диэлектриков. Пусть на границу раздела диэлектриков 1 и 2 падает естественный свет. Отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения. Степень поляризации зависит от угла падения. При некотором угле падения, называемом углом Брюстера (), отраженный луч становится полностью поляризованным (плоскополяризованным) (рис. 1).

Он содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рисунке обозначены точками). Степень поляризации преломленного луча при угле падения, равном, , достигает наибольшего значения (на рис. 1 колебания, параллельные плоскости падения, изображены двухсторонними стрелками). Однако этот луч остается поляризованным частично. Угол Брюстера определяется следующим соотношением:

,     (1)

где  – показатель преломления второй среды, относительно первой. Это соотношение носит название закона Брюстера.

Если на границу раздела двух диэлектриков под углом Брюстера падает плоскополяризованный свет (например, от лазера) с направлением колебаний вектора  в плоскости падения волны, то интенсивность отраженной волны становится близкой к нулю. Это объясняется тем, что в падающей волне отсутствует направление колебаний светового вектора, необходимое для создания отраженной волны.

Если преломленные лучи подвергнуть второму, третьему и т.д. преломлениям, то степень поляризации преломленных лучей возрастает. Если имеется 8-10 пластинок (стопа Столетова), то при падении под углом Брюстера и отраженный и прошедший свет практически оказываются полностью поляризованными.

Поляризация света при двойном лучепреломлении

Из теории Максвелла следует, что скорость распространения света в среде

,

где  – показатель преломления вещества;  – диэлектрическая проницаемость вещества;  – магнитная проницаемость вещества; С – скорость света в вакууме.

Для большинства оптически прозрачных веществ магнитная проницаемость   1, следовательно, показатели преломления и скорости света в среде определяются величиной диэлектрической проницаемости среды .

Свойства изотропных сред одинаковы по всем направлениям. В оптически изотропных средах  имеет одно определенное значение. Следовательно,  для любого направления распространения света с любой поляризацией одинаково.

Свойства анизотропных сред зависят от направления. В частности, от направления в среде может зависеть значение ее диэлектрической проницаемости .

В естественных условиях оптически анизотропными являются большинство кристаллов. Рассмотрим распространение света в оптически анизотропном кристалле, имеющим форму пластины. Световой луч, падающий на кристалл, разделяется внутри кристалла на два луча, идущих в различных направлениях. При выходе из кристалла оба луча имеют направления, параллельные падающему лучу.

Это явление получило название двойного лучепреломления. Меняя направление падающего луча, можно в кристалле обнаружить такие направления, вдоль которых световой луч не испытывает двойного лучепреломления. Прямая, проведенная через любую точку кристалла в этом направлении, называется оптической осью.

По количеству оптических осей, имеющихся у данного кристалла, различают одноосные и двухосные кристаллы. В дальнейшем речь будет идти только об одноосных кристаллах.

Плоскость, содержащая оптическую ось и падающий луч, называют главным сечением или главной плоскостью кристалла.

У одноосных кристаллов для одного из преломленных лучей выполняется обычный закон преломления , этот луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. Скорость этого луча во всех направлениях одинакова. Этот луч называется обыкновенным и обозначается буквой о (рис. 2). Для другого луча, называемого необыкновенным (его обозначают буквой е), отношение  при изменении угла падения. Скорость этого луча различна в разных направлениях. Исследование обыкновенного и необыкновенного лучей показывает, что оба луча являются плоскополяризованными во взаимно перпендикулярных направлениях.

Плоскость колебаний обыкновенного луча перпендикулярна главному сечению кристалла (на рис. 2 эти направления показаны точками). В необыкновенном луче колебания светового вектора происходят в плоскости главного сечения (на рис. 2 они показаны двухсторонними стрелками). При выходе из кристалла оба луча отличаются друг от друга только направлением поляри-зации.

Анализ поляризованного света. Закон Малюса

Анализ поляризованного света осуществляется с помощью поляризационных приборов. Если поляризационный прибор используется для получения поляризованного света, то он называется поляризатором. При использовании прибора для анализа поляризованного света его называют анализатором.

Если на пути естественного света поставить поляризатор, то из него выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого Iо составит половину интенсивности естественного света Iест:

.

Рассчитаем интенсивность света на выходе из второго поляризатора (анализатора). Пусть АА (рис. 3) – плоскость, в которой колеблется световой вектор  в волне, выходящей из первого поляризатора (плоскость главного сечения поляризатора); ВВ – плоскость главного сечения анализатора. Колебания  в луче, выходящем из анализатора, происходят в плоскости ВВ.

Из рис. 3 видно, что . Так как интенсивность света пропорциональна квадрату напряженности поля, получаем

,     (2)

где I – интенсивность света на выходе из анализатора. Эта формула известна, как закон Малюса.

Интенсивность света I будет максимальной в том случае, когда  (главные сечения поляризатора и анализатора параллельны). При  интенсивность, света на выходе из анализатора равна нулю, т.е. скрещенные поляризаторы света не пропускают.

Реально прохождение света через анализатор и поляризатор связано с потерями световой энергии, т.е. световой луч при выходе из них имеет интенсивность меньшую, чем . Отношение интенсивности света, реально выходящего из поляризатора (или анализатора) к интенсивности выходящего света при отсутствии потерь, можно назвать коэффициентом пропускания k.

Если поляризатор вращать вокруг направления луча, то для частично поляризованного света наблюдается изменение интенсивности от Imax до Imin. Выражение

                                          (3)

называется степенью поляризации.

Для плоскополяризованного света Imin = 0 и Р = 1.

Прохождение плоскополяризованного

света через кристаллическую пластинку

Пусть поляризованный свет падает перпендикулярно на кристаллическую пластинку толщиной d. Пластинка вырезана из кристалла так, что оптическая ось кристалла параллельна ее поверхности. Угол между плоскостью колебаний вектора  падающего света и оптической осью ОО равен (рис. 4).

Колебания вектора  падающего поляризованного света в некоторой точке пространства можно представить как результат сложения взаимно перпендикулярных колебаний, направленных вдоль и поперек направления оптической оси кристалла. При этом вид поляризации волны до ее падения на кристалл будет определяться разностью фаз  этих взаимно перпендикулярных колебаний. При разности фаз  и  радиан падающая на кристалл волна будет плоскополяризованной. При разности фаз  и  радиан, поляризованной по эллипсу.

Внутри кристалла падающий луч разделится на «обыкновенный» и «необыкновенный» лучи, амплитуды светового вектора в которых будут равны:

                                          (4)

Скорости распространения лучей в пластинке различны, поэтому внутри пластинки между ними накопится дополнительная разность фаз колебаний векторов  и .

Эту разность фаз можно найти следующим образом. Поскольку волны входят в кристалл перпендикулярно его оптичес-кой оси, то их геометрические пути в кристалле будут одинаковы и равны толщине кристалла. Вместе с тем оптические длины путей для «обыкновенного» и «необыкновенного» лучей из-за различия в показателях преломления будут различны. Следовательно, возникающая в кристалле оптическая разность хода волн равна

.                                      (5)

Отсюда разность фаз, накопленная внутри пластинки,

,                            (6)

где k – волновое число;  – длина волны падающего излучения в вакууме.

Вид поляризации на выходе из кристаллической пластинки определяется общей разностью фаз

.

В общем случае возникает эллиптически поляризованный свет. Причем форма и ориентация эллипса зависят от величины угла и разности фаз (6) при одном и том же угле .

Описание установки приведено

в приложении «Краткое описание МУК-О»

Задание к работе

Определение угла Брюстера для стекла.

Определение степени поляризации преломленной

световой волны

  1.  Включите лазерный источник света, строго соблюдая порядок включения и правила техники безопасности. (Конструктивные особенности применяемого лазера таковы, что пучок света на его выходе имеет эллиптическую поляризацию.)
  2.  Для превращения эллиптически поляризованного света в плоскополяризованный введите по ходу пучка света поляризатор.
  3.  Стрелку поляризатора, установленную при юстировке прибора вдоль плоскости его пропускания, поверните в переднее положение, при этом она должна указывать на 90. Теперь после поляризатора распространяется пучок, плоскость колебаний светового вектора которого лежит в плоскости падения его на стеклянную пластинку.
  4.  Поворотом расположенной ниже турели установите по ходу луча стеклянную пластинку.
  5.  Вращая стеклянную пластинку вокруг горизонтальной оси с помощью расположенных на ее оси ручек (прикасаться к стеклу не рекомендуется), пронаблюдайте за изменениями интенсивности луча лазера, отраженного на вертикальную шкалу.
  6.  Установите пластинку под углом Брюстера. При этом интенсивность отраженного луча достигает минимума. Определите по шкале численное значение полученного угла . Вычислите, пользуясь измеренным значением угла Брюстера и законом Брюстера (формула 1) показатель преломления стекла, из которого изготовлена пластинка.
  7.  Выключив лазерный источник света тумблером на передней панели электронного блока, подключите источник белого света.
  8.  Не меняя положение стеклянной пластинки, поместите ее под пучок белого света.
  9.  Убедитесь, что на вертикальной шкале имеется не очень яркое пятно белого света, отраженного от стеклянной пластинки.

  10. Убедитесь, что отраженный свет является плоскополяризованным. Для этого между источником света и стеклянной пластинкой путем поворота соответствующей турели поместите поляризатор. Вращая поляризатор, пронаблюдайте за полным исчезновением отраженной волны при определенном положении поляризатора и за появлением этой волны при других углах поворота поляризатора.

  11. Уберите поляризатор путем поворота его турели.

  12. Проведите измерения степени поляризации частично поляризованного света, преломленного стеклянной пластинкой. Уберите с верхней крышки электронного блока предметы (экран наблюдения) и освободите входное окно фотоприемников. Установите между стеклянной пластинкой и окном фотоприемников анализатор, повернув соответствующую турель. Нажатием кнопки подключите фотоприемник с широким рабочим диапазоном длин волн  (см. приложение). Вращая анализатор, зафиксируйте и запишите максимальное и минимальное значения интенсивности света. Вычислите степень поляризации частично поляризованного света, преломленного стеклянной пластинкой по формуле (3):

.

Изучение закона Малюса

  1.  Убедитесь, что подключен источник белого света.
  2.  Между источником света и приборным блоком путем поворота соответствующей турели поместите поляризатор.
  3.  Убедитесь, что свет от источника, проходя поляризатор, попадает на экран наблюдения. Вращая поляризатор, пронаблюдайте, имеют ли место какие-либо изменений интенсивности. Наличие изменений говорящее о некоторой поляризации, объясняется тем, что свет внутри белого источника подвергался преломлению или отражению.
  4.  Установите между поляризатором и экраном наблюдения анализатор, повернув соответствующую турель. Вращая анализатор, пронаблюдайте изменения интенсивности света. Определите, на какой угол приходится поворачивать анализатор по отношению к поляризатору, чтобы максимальная интенсивность света на экране наблюдения сменилась минимальной интенсивностью.
  5.  Проведите количественную проверку закона Малюса. Предварительно определите численные значения коэффициентов пропускания поляризатора k1, а затем анализатора k2. Для этого действуйте в следующем порядке:

– уберите с верхней крышки электронного блока экран наблюдения и освободите входное окно фотоприемников;

– нажатием кнопки подключите фотоприемник с широким рабочим диапазоном длин волн 3 = 0,4…0,9 мкм  и получите сигнал с него на цифровом индикаторе электронного блока;

– повернув турели, уберите анализатор и поляризатор так, чтобы свет беспрепятственно достигал окна фотоприемников. Обратите внимание на показания индикатора относительной интенсивности принимаемого света. Для получения более точных результатов желательно, чтобы измеряемые численные значения были больше. Этого можно добиться двумя путями: во-первых, увеличивая напряжение питания электрической лампы источника света (ручка на передней панели электронного блока), во-вторых, увеличивая чувствительность фотоприемника вращением соответствующей ручки. При этом нельзя допускать перегрузки индикатора (гаснут все цифры, кроме единицы);

– показания, снятые с индикатора, запишите. При дальнейших измерениях нельзя менять чувствительность фотоприемника и напряжение накала лампы источника света. Снятое показание дает интенсивность белого света непосредственно от источника Iест в относительных единицах;

– верните в рабочее положение поляризатор. Снимите и запишите новое показание индикатора относительной интенсивности, который дает интенсивность света ослабленную поляризатором . По формуле

определите коэффициент пропускания поляризатора;

– уберите поляризатор и верните в рабочее положение анализатор. Запишите новое показание индикатора, который дает интенсивность света ослабленную анализатором . По формуле

определите коэффициент пропускания анализатора. Теперь можно приступить к проверке закона Малюса. Для этого, не убирая анализатор, опять верните в рабочее положение поляризатор. Естественный свет проходит последовательно через поляризатор и анализатор;

– установите определенный угол поворота  анализатора по отношению к поляризатору, например, = 30;

– запишите полученные с индикатора показания, которые дают относительную интенсивность света после системы поляризатор-анализатор I;

– сравните полученный экспериментальный результат с вычисленным по закону Малюса с учетом коэффициентов пропускания k1 и k2 поляризатора и анализатора

.

Изучение прохождения света

через оптически анизотропное вещество

1. Включите лазерный источник, строго выполняя порядок подключения и правила техники безопасности (см. приложение).

2. На пути лазерного луча поместите анализатор, повернув соответствующую турель.

3. Вращая анализатор, найдите положение, соответствующее минимуму интенсивности света на экране.

4. Установите на пути лазерного луча оптически анизотропный объект.

5. Вращая анализатор, определите угол, при котором интенсивность света, прошедшего через анизотропную пластинку, будет минимальна.

Контрольные вопросы

1. Естественный и поляризованный свет. Виды поляризован-ного света.

2. Способы получения поляризованного света.

3. Поляризация при отражении света от диэлектрика. Закон Брюстера. Стопа Столетова.

4. Двойное лучепреломление. Свойства обыкновенного и необыкновенного лучей.

5. Закон Малюса.

6. Вывод формулы для закона Малюса с учетом потерь световой энергии.

7. Прохождение плоскополяризованного света через одноосную кристаллическую пластинку. Оптическая разность хода и разность фаз обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе из кристалла.

8. Интерференция поляризованного света.

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1995. – Т. 2.

2. Баранов А.В. и др. Колебания и волны. Оптика. Квантовая механика. Кн. 2. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1994.

3. Ландсберг Г.С. Оптика. – М.: Наука, 1976.

PAGE  24


EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1668. Физиологическое и экономическое значение сухостойного периода у коров 20.99 KB
  Сухостойный период - время от прекращения у животных лактации до очередных родов, у дойных коров и коз — период от запуска доения до родов.
1669. Химический состав и физические свойства спермы 19.27 KB
  Сперма – смесь половых клеток самца и плазмы (сыворотки). По химическому составу сперма относится к наиболее сложным жидкостям организма.
1670. Организационно-экономическая характеристика машинно-тракторного парка КСУП Комбинат 48.63 KB
  Организационно-экономические вопросы производственной и технической эксплуатации машинно-тракторного парка. Организационно-экономические вопросы ремонта машинно-тракторного парка в КСУП Комбинат "Восток"
1671. Особенности радиоэлектроники и ее физические основы 41.09 MB
  Проводники, диэлектрики и полуроводники, их свойства. Устройство синхронной машины. Физико-химические свойства элегаза. Автомати́ческий ввод резе́рва (Автомати́ческое включе́ние резе́рва, АВР).
1672. Оценка и подтверждение соответствия 518.83 KB
  Виды и формы оценки и подтверждения соответствия. Цели, задачи и принципы подтверждения соответствия. Объекты оценки и подтверждения соответствия. Субъекты, подтверждающие соответствие. Средства и методы оценки и подтверждения соответствия.
1673. Правила проведения сертификации и декларирования 1.24 MB
  Обязательная сертификация. Добровольная сертификация. Порядок проведения декларирования соответствия.
1674. Контроль качества продукции и услуг 2.98 MB
  Основные понятия в области контроля. Значение контроля качества, его место в оценке соответствия. Государственный и муниципальный контроль качества: сфера применения, правовая база, органы государственного контроля и их полномочия – практическая работа.
1675. Значение и структурные элементы метрологии 360.06 KB
  Основные понятия в области метрологии. Структурные элементы метрологии. Цели, задачи и принципы. Разделы метрологии.
1676. Объекты и субъекты метрологии 2.36 MB
  Объекты метрологии. Величины, их классификация и характеристика. Классификация физических величин и единиц их измерения. Субъекты метрологии, их классификация и краткая характеристика.