28183

Поляризация света. Способы получения поляризованного света. Закон Малюса. Поляризационные призмы

Доклад

Физика

Явление поляризации света было открыто Эразмусом Бартолинусом, датским учёным, в 1669 году. В своих опытах Бартолинус использовал кристаллы исландского шпата, имеющие форму ромбоэдра. Если на такой кристалл падает узкий пучок света, то, преломляясь

Русский

2013-08-20

238.5 KB

55 чел.

46. Поляризация света. Способы получения поляризованного света. Закон Малюса. Поляризационные призмы

Явление поляризации света было открыто Эразмусом Бартолинусом, датским учёным, в 1669 году. В своих опытах Бартолинус использовал кристаллы исландского шпата ( ), имеющие форму ромбоэдра. Если на такой кристалл падает узкий пучок света, то, преломляясь, он даёт два пучка несколько различного направления (рис. 1). Для одного из них, называемого обыкновенным лучом, показатель преломления  при распространении света в любом направлении в кристалле один и тот же, а для другого – необыкновенного – луча показатель преломления  зависит от направления.

В 1690 году Христиан Гюйгенс, голландский учёный, обнаружил, что каждый из полученных  указанным способом лучей ведёт себя при прохождении через второй кристалл исландского шпата иначе, чем обычные лучи. В зависимости от ориентации кристаллов относительно друг друга каждый из лучей, раздваиваясь во втором кристалле, даёт два луча различной интенсивности, а при некоторых ориентациях – только один луч, а интенсивность второго в этом случае падает до нуля (рис. 2).

В 1808 году, наблюдая через кристалл исландского шпата свет, отраженный под большим углом от окна Люксембургского дворца в Париже, французский учёный Этьен Луи Малю (Малюс) заметил, что при повороте кристалла вокруг луча интенсивность двух получающихся при этом пучков периодически меняется: , , где  – угол между главными направлениями кристаллов-поляризаторов,  – интенсивность падающего пучка. Кроме того, для интенсивностей о- и е – лучей в отсутствие поглощения выполняются правила Малю: ; . Именно Малю ввёл в обращение термин поляризация света.

Если на систему двух призм Николя (одна из них – поляризатор, другая – анализатор) или других поляризующих устройств (см. дополнение) падает неполяризованный свет интенсивности I0, по интенсивность света, вышедшего из анализатора определяется по закону Малюса: , где α – угол между главными направлениями поляризатора и анализатора.

Подчеркнём сразу, что поляризация свойственна любым по природе, но только поперечным волнам.

В 1816 году Огюст Френель, французский физик, установил, что два луча, поляризованных взаимно перпендикулярно, не могут интерферировать. Однако отсутствие интерференционного чередования интенсивностей при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний, зарегистрированное в опытах Френеля, не означает, что взаимодействие таких колебаний не может приводить к доступным наблюдению на опыте изменениям в световом пучке.

Рассмотрим результат сложения двух когерентных световых волн, поляризованных в двух взаимно поляризованных направлениях, имеющих разную амплитуду и обладающих некоторой разностью фаз. Мы легко можем осуществить такую ситуацию на опыте следующим образом (рис. 3).

Линейно поляризованный после прохождения через поляризующее устройство  свет определенной длины волны пропустим через кристаллическую пластинку  толщиной , вырезанную параллельно оптической оси одноосного кристалла (имеющего только одно направление, называемое оптической осью, в котором скорости обыкновенной и необыкновенной волн одинаковы). При падении пучка перпендикулярно к боковой поверхности кристалла  сквозь пластинку будут  распространяться в одном направлении, но с разной скоростью две волны, поляризованные во взаимно перпендикулярных направлениях, которые принято называть главными направлениями кристаллической пластинки. У одной из этих волн вектор  колеблется вдоль оптической оси кристалла (например, вдоль  колеблется , соответствующий необыкновенной волне, для которой показатель преломления равен ), а у другой – перпендикулярно оптической оси (то есть вдоль ; ; обыкновенная волна; ).

Если направление колебаний электрического вектора в падающей поляризованной волне составляет угол  с одним из главных направлений пластинки, то амплитуды колебаний в необыкновенной и обыкновенной волнах будут соответственно равны

;     ,                                (1)

где  (см. рис. 3) – амплитуда падающей волны.

В пластинке толщиной  эти две волны приобретут разность хода, равную

.                                                 (2)

Следовательно, обыкновенная волна отстанет по фазе от необыкновенной на величину

.                                            (3)

На выходе из кристалла  произойдет сложение колебаний одинаковой частоты , происходящих по законам

;

.                            (4)

Для определения траектории конца вектора  для результирующего колебания из формул (4) исключим время . Получим:

,                                (5)

или

.                                                     (6)

Возведём (6) в квадрат и после преобразований получим уравнение траектории, описываемой концом вектора :

,                                              (7)

то есть уравнение эллипса.

Таким образом, в общем случае после прохождения линейно поляризованного света через кристаллическую пластинку получаем световую волну, концы векторов   и  которой описывают эллипсы. Световая волна, электрический вектор которой в фиксированной точке пространства вычерчивает один и тот же, регулярно повторяющийся эллипс, называется  эллиптически поляризованной в этой точке. Эллиптическая поляризация – наиболее общее состояние поляризации любого строго монохроматического оптического поля.

Квадрат амплитуды колебаний пропорционален плотности энергии волны в точке наблюдения. Абсолютная фаза  эллиптически поляризованной волны определяет угол между начальным положением электрического вектора при  и большой осью эллипса (). В зависимости от того, какая волна (обыкновенная или необыкновенная) распространяется быстрее, вектор  результирующей волны будет перемещаться по или против хода часовой стрелки (смотреть нужно навстречу лучу). Свет при этом соответственно называется правоэллиптически поляризованным или левоэллиптически  поляризованным.

Таким образом, существуют три типа поляризации волн: линейная, циркулярная, эллиптическая.

Для линейно поляризованного света  и существует бесконечное число форм линейной поляризации, различающихся азимутом .

Для циркулярно поляризованных волн , и существует две формы циркулярной поляризации: право- и левоциркулярно поляризованные волны.

Эллиптическая поляризация имеет бесконечное число форм, различных по азимуту, эллиптичности и направлению вращения вектора .

Свет называется полностью поляризованным, если два взаимно ортогонально поляризованных компонента вектора  светового пучка совершают колебаний с постоянной во времени разностью фаз. Если фазовое соотношение между компонентами вектора  изменяется за время, существенно меньшее времени измерения состояния поляризации, то свет проявляется как частично поляризованный. Состояние поляризации частично поляризованного света описывается параметром степени поляризации:

;   ;    .

Здесь  и  - интенсивности ортогонально линейно поляризованных компонентов пучка,  и  - интенсивности право- и левоциркулярно поляризованных компонентов пучка соответственно. Для полностью поляризованного света .

Подводя итог сказанному выше, может определить следующее: поляризованный свет – это свет с преимущественным направлением колебаний: преимущественным для одного из поперечных направлений или для определенного направления вращения.

Свет может быть поляризован в следующих случаях:

  •  при излучении элементарным источником (диполем);
  •  в результате двупреломления. Двупреломляющие поляризаторы разделяют первоначальный пучок на два полностью и ортогонально поляризованных компонента и устраняют один из них. Широко применяются в оптическом приборостроении такие двупреломляющие поляризаторы как призмы Николя (1828 г.), Аренса (1896 г.), Волластона, Рошона (1783 г.), Глана – Фуко и др.
  •   как следствие дихроизма вещества, суть которого заключается в зависимости показателя поглощения излучения средой от состояния его поляризации;
  •  при отражении от границы раздела сред;
  •  при прохождении границы раздела сред (при преломлении);
  •  при полном внутреннем отражении; при рассеянии излучения на неоднородностях среды;
  •  поляризовано излучение лазерных источников и т.д.

Дополнение

Призма Волластона состоит из двух прямоугольных призм из исландского шпата, склеенных гипотенузными гранями. В призме АВС оптическая ось параллельна катету АВ; в призме АСD оптическая ось параллельна ребру С, перпендикулярному к плоскости чертежа (рисунок 5).

Через грань АВ в призму входит естественный свет. Образовавшиеся вследствие двупреломления обыкновенный и необыкновенный лучи идут в первой призме в одном направлении с разными скоростями  и . Во второй призме они также идут в направлении, перпендикулярном оптической оси, но так как оптические оси в обеих призмах взаимно перпендикулярны, то о-луч в первой призме превратится в е-луч во второй призме и наоборот.  Для исландского шпата . Поэтому во второй призме первы луч отклонится в сторону ребра С, а второй – в сторону основания этой призмы АD – лучи разойдутся симметрично относительно направления падающего пучка. Оба выходящих пучка поляризованы: в первом луче (е-луч во второй призме)  вектор    колеблется параллельно оптической оси второй призмы, во втором (о-луч во второй призме) – перпендикулярно оптической оси второй призмы.

Призма Николя (николь) состоит из двух прямоугольных призма из исландского шпата. Острые углы призмы равны 68° и 22°, призмы склеены канадским бальзамом вдоль катета ВС (рисунок 6). Оптическая ось О´О´´ лежит в плоскости чертежа под углом 48° к грани АВ (и аналогично – во второй призме).

Падающий луч разделяется в первой призме на два, из которых один – обыкновенный – падает на слой канадского бальзама ВС под углом около 76°. Показатель преломления канадского бальзама n = 1,550 меньше показателя преломления обыкновенного луча (nо = 1,658), угол падения превышает предельный, и обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение на границе кристалл – канадский бальзам. Поэтому этот луч не попадает во вторую призму и выходит через грань АС. Необыкновенный луч имеет меньший показатель преломления чем канадский бальзам, поэтому он не испытывает полного внутреннего отражения и переходит во вторую призму. Таким образом, через призму проходит только необыкновенный луч. Обыкновенный луч может быть поглощен зачерненной оправой призм. Призма Николя пропускает полностью поляризованный свет в пучках с углом расхождения до 29°.

В сечении призма имеет вид ромба. В прошедшем пучке электрический вектор колеблется в направлении, параллельном короткой диагонали ромба (рисунок 6, справа).

Недостатком призмы Николя является непрозрачность канадского бальзама для ультрафиолетового излучения. Она применима только в видимой области спектра.

Призма из стекла и исландского шпата (рисунок 7). Оптическая ось перпендикулярна плоскости чертежа; no = 1,66; nстекла = 1,49;  ne = 1,486.

Призма Рошона (рисунок 8) из исландского шпата. Угол между ортогонально поляризованными лучами зависит от преломляющего угла призмы; обыкновенный луч ахроматичен.

Призма Сенармона (рисунок 9). Преломляющий угол близок к 45 °, поэтому удается экономно расходовать исходный кристалл, разрезая его вдоль оптической оси и склеивая вдоль естественной грани.

Дихроизм вещества заключается в зависимости показателя поглощения излучения средой от состояния его поляризации. Пластинка из дихроичного вещества разделяет падающий пучок на два поляризованных компонента и поглощает их в различной степени. Первый пригодный для использования дихроичный поляроид был разработан Эдвином Лендом (1928 г.), 19-летним студентом Гарвардского университета. В 1938 г. им же были предложены дихроичные поляризаторы, в которых использовались особые свойства полимерных молекул. Поляроидные плёнки обеспечивают степень поляризации ;

  •  при отражении от границы раздела сред;
  •  при прохождении границы раздела сред (при преломлении);
  •  при полном внутреннем отражении.

Изменение фазы при полном внутреннем отражении можно использовать для получения циркулярно поляризованного света. В ромбе Френеля вследствие двукратного полного внутреннего отражения падающий линейно поляризованный свет преобразуется в циркулярно поляризованный.

Амплитуды ортогонально поляризованных составляющих падающего пучка уравнивают, выбирая направление поляризации падающего пучка под углом 45° к плоскости падения. Затем показатель преломления стекла и угол падения света на входную грань подбирают таким образом, чтобы относительная разность фаз δ была равна 90°. Если эти условия не выполнены, вышедший из ромба Френеля свет поляризован эллиптически.

При направлении на ромб Френеля эллиптически или циркулярно поляризованного пучка света можно преобразовать его в линейно поляризованный.


Угол мал!

78008

101052’

Рис.1

Е

Ее

Ео

Рис. 2

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

а – большая полуось эллипса поляризации; b малая полуось;

EMBED Equation.3   - азимут поляризации; 

EMBED Equation.3  – эллиптичность;  угол эллиптичности EMBED Equation.3   определяется из условия   EMBED Equation.3  ;  EMBED Equation.3  ;    EMBED Equation.3  – амплитуда эллиптического колебания

Рис. 4

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Рис. 3

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

D

М

О

С

В

А

Второй луч

Первый луч

Рисунок 5    - Призма Волластона

о-луч

D

С

В

А

О´

О´´

е-луч

Рисунок 6   - Призма Николя

22°

68°

Стекло

о-луч

е-луч

Рисунок  7  - Двоякопреломляющая призма

из стекла и исландского шпата

о-луч

е-луч

Рисунок 8  - Призма Рошона

о-луч

е-луч

Рисунок  9  - Призма Сенармона

Линейно поляризованный пучок

Циркулярно поляризованный пучок

Рисунок    - Ромб Френеля


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82041. Тиристорні перетворювачі 297.5 KB
  Система імпульснофазового управління в свою чергу складається із вузла що перетворює напругу управління в послідовність імпульсів визначеної тривалості форми моменти яких залежать від напруги управління; вузла підсилення імпульсів що формує імпульси з визначеними електричними параметрами.
82042. Туристическая база 13.36 MB
  Туризм можно классифицировать по различным критериям: По цели отдыха По характеру отдыха и его организации По продолжительности путешествия По сезонности Эти критерии имеют решающее значение потому что именно цель поездки больше всего влияет на формирование тура и организацию туристического обслуживания.
82043. Изготовление изделий из бисера 6.73 MB
  В настоящее время бисерная вышивка переживает свой расцвет. Это красиво, модно, современно. Вышивкой из бисера украшают не только платья, кофточки, но и обувь, сумки и многое другое. Основой для вышивки служат холст, лен, бархат, атлас, шерсть. Сукно. Нитки следует брать армированные, чтобы бусинки их не перетирали.
82044. Країни південно-східної Азії у другій половині ХХ-го століття 7.55 MB
  Економічна колонізація Вєтнаму французьким капіталом розпочата у другій половині ХІХ ст. в умовах післявоєнного економічного буму французькі колонізатори вдалися до розширеної експлуатації людських і природних багатств Вєтнаму.
82045. Beethovens Musik ist ewig 85 KB
  Liebe Kunstfreunde, liebe Gäste! Es freut mich euch alle in diesem gemütlichen Saal zu begrüßen. Unsere außerschulische Veranstaltung ist dem genialen deutschen Komponisten Ludwig van Beethoven gewidmet. Schüler 1: Ludvig van Beethoven ist einer der größten Komponisten, Schüler 2: einer der berühmtesten Komponisten der Welt,
82046. Золоті правила країни ввічливості 77 KB
  Серед слів які ми вживаємо є чарівні слова ввічливості. Бережи свій час; тримай кожну річ на своєму місці; дотримуйся свого слова. І посміхаються У відповідь люди Добрі слова ж бо Для кожного любі.Я слова чарівні знаю Вивчила охоче І в розмові їх вживаю Зранку і до ночі Доброго здоровя Галю Добрий день...
82047. «Шануй батька і неньку, то буде тобі скрізь гладенько». Любов до батьків, турбота про них 59.5 KB
  Мета: виховувати у дітей любов та повагу до батьків турботу про них шанобливе ставлення до їхніх настанов та порад бажання щоденно піклуватися про їхнє здоровя не завдавати їм душевного болю негідними вчинками; прищеплювати бажання бути гідними дітьми своїх батьків прагнення приносити щастя в свій дім.
82048. Подорож країною Екологія 84.5 KB
  Мета: Пробудити в школярів особистої відповідальності за охорону навколишнього середовища, виховувати любов до рідного краю. Обладнання: плакати, телевізор, заставки зупинок, малюнки рослин і тварин Червоної книги України, грамзапис мелодій, присвячених природі, модель квітки.
82049. ІВАН МАЛКОВИЧ «ІЗ ЯНГОЛОМ НА ПЛЕЧІ» 33.5 KB
  Наше свято ми сьогодні присвячуємо творчості нашого поета-земляка, людини знаної не тільки в нас на Україні, але й за її межами. Дитячий видавець, директор видавництва «А-Ба-Ба-Га-Ла-Ма-Га», автор шести власних поетичних збірок, член Спілки письменників України – це Іван Малкович.