36757

Получение и исследование света с различными состояниями поляризации

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: изучить методы получения и анализа света с различными состояниями поляризации, сформулировать гипотезу исследования, установить связи между основными способами получения поляризованного излучения, выделить существующие различия между ними, определить этапы исследования.

Русский

2013-09-23

230.5 KB

15 чел.

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Наименование факультета – ЕНМ

Наименование выпускающей кафедры – Общая физика

Наименование учебной дисциплины - Физика

Лабораторная работа № 3-09.

«Получение и исследование света с различными состояниями поляризации».

Исполнитель:

Студентка, группы 13а61(_______) Королева Я.Ю.

                                                       подпись   

                                (_______)

                                                                                                                                          дата

Руководитель, профессор (_______) Крючков Ю.Ю.

                                                                     Должность, ученая степень, звание        подпись

          (_______)

                                                                                                                                          дата

Томск –2008

Цель работы: изучить методы получения и анализа света с различными состояниями поляризации, сформулировать гипотезу исследования, установить связи между основными способами получения поляризованного излучения, выделить существующие различия между ними, определить этапы исследования.

Приборы и принадлежности: источник монохроматического света, длину волны которого можно плавно менять, поляризационные приспособления, детектор светового излучения, линза.

Краткое теоретическое введение

Свет, в котором в каждый момент времени векторы  и , будучи взаимно перпендикулярны друг другу, беспорядочно меняют свое направление в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, называется естественным. Если вектор  или  в световой волне колеблется только в одной плоскости, свет называется линейно или плоско поляризованным. Плоскость колебания вектора  называется плоскостью поляризации.

Свет, в котором конец вектора  описывает в пространстве винтовую траекторию, проекция которой на плоскость , перпендикулярную направлению распространения световой волны, представляет окружность, называется поляризованным по кругу или циркулярно поляризованным. Если эта фигура представляет собой эллипс, свет называется эллиптически поляризованным.

Получение линейно поляризованного света и его анализ

Линейно поляризованный свет получают из естественного, с помощью устройств, которые называются поляризаторами. Эти устройства свободно пропускают колебания, параллельные плоскости, которую называют плоскостью поляризации. Действие поляризаторов основывается на использовании либо закона Брюстера для отражения и преломления света на границе раздела двух прозрачных изотропных диэлектриков, либо явления двойного лучепреломления в одноосных анизотропных кристаллах.

Провести анализ линейно поляризованного света - значит определить положение его плоскости поляризации в пространстве. Для анализа линейно поляризованного света используются приспособления, которые называются анализаторами. В качестве анализаторов применяются те же устройства, которые служат для получения линейно поляризованного света. Интенсивность света , пропущенного анализатором, меняется в зависимости от угла  между плоскостью поляризации падающего на него линейно поляризованного света с плоскостью анализатора как

                                                           ,                                                                (1)

где  - коэффициент прозрачности анализатора;  - интенсивность линейно поляризованного света, падающего на анализатор. Формула (1) носит название закона Малюса.

Получение циркулярно поляризованного света

Как известно из теории колебаний [1-3], то или иное состояние поляризации получается при совместном действии двух взаимно перпендикулярных монохроматических световых волн равной частоты, распространяющихся в одном направлении , при определенных отношениях их амплитуд  и  и разности фаз .

Так, циркулярно поляризованная волна получается в случае выполнения условий:

а) ;

б) ,

что соответствует оптической разности хода складывающихся волн , где  - длина волны монохроматического света .

Если хотя бы одно условие нарушается, результирующая световая волна будет или эллиптически, или линейно поляризованной.

Рассмотрим один из методов практического получения циркулярно поляризованного света.

Из вышеизложенного следует, что для получения циркулярно поляризованного света необходимо:

1) получить две взаимно перпендикулярные с одинаковыми амплитудами  и  монохроматические световые волны равной частоты, распространяющиеся в одном направлении ;

2) создать между этими волнами разность фаз .

Для получения двух взаимно перпендикулярных линейно поляризованных волн, распространяющихся в одном направлении, необходимо пропустить монохроматический линейно поляризованный свет с длиной волны , через плоскопараллельную пластинку  толщиной , вырезанную из анизотропного кристалла таким образом, чтобы плоскость , на которую падает свет, была параллельна оптической оси  кристалла. В этом случае говорят, что пластинка вырезана параллельно оптической оси. Линейно поляризованная световая волна, попадая в тонкую пластинку, разбивается на две - обыкновенную и необыкновенную. Будучи линейно поляризованными, во взаимно перпендикулярных плоскостях, эти волны, распространяясь в пластинке с различными скоростями, приобретут на выходе из нее разность фаз , между собой равную

,

где  и  показатели преломления, соответственно, обыкновенной и необыкновенной волн в кристалле. Оптическая разность хода при этом равна

.

Для получения разности фаз, равной , между обыкновенной и необыкновенной волнами на выходе из пластинки необходимо, чтобы пластинка имела такую толщину , при прохождении через которую между обыкновенной и необыкновенной волнами накопилась бы разность фаз, равная  (оптическая разность хода ).

Толщина пластинки определится как

.

При  толщина пластинки, создающая необходимую разность фаз, будет минимальна и равна .

Кристаллическую пластинку, в которой оптическая разность хода между обыкновенной и необыкновенной волнами на выходе равна , называют «пластинка » или «четвертьволновая пластинка».

Для получения одинаковых амплитуд у обыкновенной и необыкновенной волн, распространяющихся в кристаллической пластинке, необходимо ориентировать пластинку относительно плоскости поляризации падающего на нее линейно поляризованного света таким образом, чтобы плоскость поляризации падающего света составляла с оптической осью  пластинки угол , равный .

Упражнение 1. Получение линейно поляризованного света. Проверка закона Малюса.

Цель упражнения: ознакомиться с одним из методов получения линейно поляризованного света и методом его анализа.

Задание

1. Определите азимут плоскости поляризации линейно поляризованного света.

2. Проведите экспериментальную проверку закона Малюса.

Методика и техника эксперимента

Для получения линейно поляризованного света необходимо поместить поляроид-поляризатор под световой пучок непосредственно за линзой 3. Пропущенный поляроидом-поляризатором свет должен быть линейно поляризованным. Для проверки этого утверждения поместите перед детектором светового излучения поляроид-анализатор. (Поляроид-анализатор находится на своем фиксированном месте в течение выполнения всей лабораторной работы).

При повороте анализатора вокруг оси вольтметр детектора светового излучения должен показывать изменение интенсивности пропущенного анализатором света от максимального значения до значений, близких к нулю. Это говорит о том, что согласно формуле (1), поляризатор дает линейно поляризованный свет.

Анализ линейно поляризованного света заключается в определении ориентации плоскости поляризации поляризованного света в пространстве, для чего:

1. Установите на поляризаторе любой отсчет на оправе. Поворачивая анализатор вокруг оси на  деления, измерьте показания, даваемые вольтметром. Измерения необходимо провести на протяжении полного оборота анализатора, причем в точках с максимальной и минимальной интенсивностью пропущенного анализатором света измерения необходимо провести многократно для повышения точности определения положения этих точек.

2. Пронормируйте полученные показания вольтметра на 1 (единицу). То есть максимальное значение нужно приравнять единице, а все другие значения будут равны отношению текущего показания вольтметра к его максимальному значению.

3. Постройте на миллиметровой бумаге (или в рабочей тетради) в полярных координатах график зависимости нормированного показания вольтметра от ориентации анализатора в градусах. График линейно поляризованного света в полярных координатах имеет вид восьмерки.

4. Азимут поляризации линейно поляризованного света определяется как угол между прямой, соединяющей два максимума, и осью абсцисс.

5. Постройте для проверки справедливости закона Малюса на этой ж координатной сетке график зависимости  от угла . Совпадение экспериментального графика зависимости нормированного значения показаний вольтметра от ориентации анализатора, т.е. угла  и теоретического графика зависимости  от угла , говорит о справедливости закона Малюса.

Упражнение 2. Получение циркулярно поляризованного света.

Цель упражнения: познакомиться с методом получения света, поляризованного по кругу. Задание

1. Ориентируйте слюдяную «пластинку » для получения равных амплитуд двух взаимно перпендикулярных линейно поляризованных волн.

2. Определите численное значение угла ориентации пластинки для получения циркулярно поляризованного света.

3. Подберите такую длину волны падающего на слюдяную пластинку линейно поляризованного монохроматического света, для которой она является «пластинкой ».

Методика и техника эксперимента

Для получения циркулярно поляризованного света, как было выяснено выше, необходимо:

а) ориентировать кристаллическую пластинку так, чтобы плоскость поляризации падающего на нее линейно поляризованного света составляла угол  с главным сечением пластинки;

б) подобрать такую длину волны падающего на пластинку линейно поляризованного монохроматического света, для которой пластинка станет «пластинкой ».

Для ориентации пластинки выполните следующие действия:

1. Ориентируйте поляризатор и анализатор таким образом, чтобы их плоскости поляризации составляли угол  между собой. При этом вольтметр должен показать практически отсутствие света за анализатором.

2. Поместите между поляризатором и анализатором кристаллическую слюдяную пластинку.

3. Проведите измерение зависимости показаний вольтметра от ориентации слюдяной пластинки. Измерения проводите через () деления на оправе пластинки. Положения пластинки (а их четыре), в которых вольтметр дает показания, близкие к нулю, промерьте многократно, так как от точности определения этих положений в сильной степени зависит отклонение состояния поляризации от кругового.

4. Постройте в полярных координатах график зависимости показаний вольтметра, нормированных на единицу, от ориентации слюдяной пластинки.

5. Проведите на полученном графике две прямые через точки, соответствующие минимальным показаниям вольтметра. Пометьте концы одной прямой буквами , а концы другой . Предварительные исследования кристаллической пластинки показали, что прямую  необходимо провести через точки на графике, первая из которых  имеет минимальное угловое значение (справа от ).

6. Поверните оправу пластинки, установив на ней отсчет, соответствующий биссектрисе угла . Теперь пластинка ориентирована, т.е. амплитуды получающихся в ней двух линейно поляризованных волн, будут равны. БОЛЬШЕ ПЛАСТИНКУ НЕ ТРОГАТЬ!

7. Поверните анализатор на один оборот. Если при этом показания вольтметра меняются на величину более чем на , это означает, что длина волны монохроматического света, падающего на пластинку, не соответствует той, для которой пластинка является «пластинкой ». Для подбора необходимой длины волны рекомендуем провести следующие действия:

8. Осветите пластинку монохроматическим светом той или иной длины волны. Медленно поверните анализатор на . Если окажется, что полученное при данной длине волны состояние поляризации не является круговым, измените длину волны света на некоторую величину и снова проведите проверку полученного состояния поляризации. Если состояние поляризации приближается к круговому, это означает, что изменение длины волны идет в правильном направлении.

9. При приближении длины волны света к той, при которой слюдяная пластинка станет «пластинкой », интервал изменения длины волны должен быть небольшим, а именно , так как от точности выбора необходимой длины волны , в сильной степени зависит отклонение состояния поляризации от кругового.

10. Проведите после подбора необходимой длины волны  монохроматического света измерение зависимости величины показаний вольтметра от ориентации анализатора.

11. Проанализируйте полученные показания вольтметра на единицу и постройте график измеренной зависимости в полярных координатах.

Методика и техника компьютеризированного эксперимента

Проведение лабораторной работы осуществляется по этапам, последовательность которых предлагается персональным компьютером.

Угловая поляризация.

Таблица 1.

Интерференция, отн. ед.

Интерференция, отн. ед.

Интерференция, отн. ед.

Интерференция, отн. ед.

8

0,954

11

0,936

15

0,906

19

0,877

23

0,837

27

0,786

31

0,747

35

0,684

40

0609

45

0,519

53

0,387

62

0,230

68

0,107

73

0,041

77

0,001

83

0,055

87

0,111

90

0,190

93

0,226

96

0,312

99

0,369

104

0,488

108

0,525

112

0,592

115

0,653

120

0,696

123

0,739

128

0,788

131

0,821

135

0,852

138

0,872

141

0,904

146

0,929

150

0,946

153

0,965

158

0,967

161

0,978

165

0,976

168

0,978

173

0,974

176

0,969

181

0,951

186

0,921

190

0,903

193

0,885

196

0,856

201

0,814

204

0,789

208

0,750

213

0,692

218

0,606

223

0,539

234

0,366

243

0,162

250

0,037

256

0,000

261

0,030

267

0,151

274

0,293

280

0,406

283

0,478

286

0,527

295

0,685

304

0,802

313

0,894

321

0,950

324

0,960

328

0,979

332

0,987

337

1,000

342

0,991

Азимут поляризации линейно поляризованного света .

Круговая поляризация.

Таблица 2.

Интерференция, отн. ед.

Интерференция, отн. ед.

Интерференция, отн. ед.

Интерференция, отн. ед.

8

0,974

14

0,977

18

0,991

25

0,992

29

0,997

34

0,996

37

1,000

43

0,996

48

0,997

54

0,990

58

0,989

64

0,982

69

0,975

81

0,956

92

0,930

101

0,907

106

0,898

112

0,880

123

0,839

129

0,841

135

0,853

141

0,874

144

0,877

149

0,883

156

0,909

161

0,918

174

0,952

179

0,962

184

0,968

192

0,981

201

0,991

207

0,990

214

0,997

225

0,998

232

0,992

237

0,991

242

0,988

249

0,974

259

0,958

264

0,952

270

0,934

276

0,921

281

0,898

285

0,896

289

0,885

297

0,848

304

0,852

307

0,844

313

0,847

319

0,869

329

0,897

333

0,918

341

0,932

357

0,962

Вывод: в данной лабораторной работе получили линейно поляризованный свет, помещая поляроид-поляризатор под световой пучок света, при угловой поляризации получаем, что его азимут света равен , данные которых занесены в табл. 1. Также получили циркулярно поляризованный свет при этом кристаллическая пластинка с плоскостью поляризации составляла угол , данные круговой поляризации представлены в табл. 2.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

8327. Китай - Россия, геостратегическая политика 47 KB
  Китай - Россия, геостратегическая политика. Китай - социалистическая страна с плановой экономикой. Политическая и экономическая системы КНР стабильны и приток иностранных капиталов с каждым годом растет. С середины первого десятилетия нынешнего...
8328. 72 искусства монастыря Шаолинь 1.07 MB
  72 искусства монастыря Шаолинь. Базовые упражнения, которые формируют основу для развития 72х искусств: 1. Удержание золотой монеты Главный смысл данного упражнения в усилении слуха и зрения для развития защитной ре...
8329. Анализ экономической целесообразности либерализации торговли с Китайской Народной Республикой, выявление основных товарных ниш 336.24 KB
  Анализ экономической целесообразности либерализации торговли с Китайской Народной Республикой, выявление основных товарных ниш Введение Китайская Народная Республика является крупнейшим после Российской Федерации и Европейского союза торговым...
8330. Гиноцид, или китайское бинтование ног 139.5 KB
  Гиноцид, или китайское бинтование ног Инструкции перед чтением текста. Возьмите кусок материи примерно трех метров длиной и пяти сантиметров шириной. Возьмите пару детских туфель. Подогните пальцы ног, кроме большого, внутрь стопы. Оберните ма...
8331. Расцвет философии (античность) 66.5 KB
  Расцвет философии (античность). Золотой век человечества. Философия в чистом виде появилась у древних греков. Самое слово философия, как говорилось выше, греческого происхождения. Поэтому можно утверждать, что философию как таковую придумали...
8332. Редуплікація в китайській мові 283.5 KB
  Редуплікація У китайській мові є слова, утворені шляхом повторення. Наприклад, поглянути, послухати. Такого роду стилістичне явище у китайській мові прийнято називати редуплікацією. Проте редуплікація має місце не лише в китайській,...
8333. Философия как форма общественного сознания 194 KB
  Философия как форма общественного сознания. Понятие, происхождение философии. Ее роль в жизни человека и общества (вопрос 1) Ф - форма общественного сознания. - учение о принципах бытия и познания, об отношении человека к миру. - наука о...
8334. Проблема определения философии в истории философии. Предмет философии. Структура философского знания 140.66 KB
  Проблема определения философии в истории философии. Предмет философии. Структура философского знания. Философия - это, прежде всего, слово, происходящее из древнегреческого языка и обозначающее любовь к мудрости, стремление к познанию,...
8335. Надежное программное средство как продукт технологии программирования. Исторический и социальный контекст программирования 640.26 KB
  Лекция 1. Надежное программное средство как продукт технологии программирования. Исторический и социальный контекст программирования Понятие информационной среды процесса обработки данных. Программа как формализованное описание процесса. Понятие о п...