73207

Поляризация света. Естественный и поляризованный свет

Лекция

Физика

Поляризация света –- физическая характеристика оптического измерения описывающая поперечную анизотропию световых волн т. источниками света являются атомы а их количество в источнике N то пространственную ориентацию для произвольно выбранного момента расположение векторов источника...

Русский

2014-12-05

240 KB

6 чел.

Лекция №24. Поляризация света.

I. Естественный и поляризованный свет.

Поляризация света – физическая характеристика оптического измерения, описывающая поперечную анизотропию световых волн, т.е. неэквивалентность различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу.

Свет – суммарное электромагнитное излучение множества атомов, если из множества выбрать одну, то её можно представить в виде двух взаимно перпендикулярных векторов и .

Электромагнитная волна – волна поперечная

Все законы изменения аналогичны законам изменения , поэтому, для простоты рассуждений, будем говорить лишь о .

Т.к. источниками света являются атомы, а их количество в источнике N, то пространственную ориентацию для произвольно выбранного момента расположение векторов источника можно дать в виде

Все направления равновероятны (ориентации различны) – естественный свет

Если под действием внешних влияний на свет (или особенностей источника), появляется преимущественное направление колебаний , то свет – частично поляризован.

Если колебания  происходят только в одном определённом направлении – полностью поляризованный свет.

Плоскость колебаний называется плоскостью колебаний.

Плоскость колебаний называется плоскостью поляризации.

Примеры:

Естественный свет – дневной.

Частично поляризованный свет – искусственные источники света:

а) электрическая лампочка – поляризация до 15 – 20%;

б) ртутная лампа – поляризация до 5 – 8%;

Для характеристики поляризации вводят коэффициент – степень поляризации Р.

 

или     ,        (1)

где Jmin и Jmax – max и min интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора .

Из уравнения (1) следует:

а) для естественного света: Jmin = Jmax (J1 = JП) и Р = 0;

б) для полностью поляризованного света: Jmin = 0 (JП = 0) и Р = 1;

 в) для частично поляризованного света: 0 < P < 1

II. Методы и виды поляризации.

А. Поляризация света при отражении и преломлении.

Отражённые и преломленные лучи всегда частично поляризованы.

Степень поляризации зависит от:

а) угла падения лучей;

б) коэффициента преломления отражающей среды.

Брюстер установил закон полной поляризации.

Закон Брюстера

Полная поляризация лучей происходит при условии, если тангенс угла падения i равен показателю преломления отражающей среды n.

i – угол Брюстера, или угол полной поляризации.

Легко показать, что  , т.е. лучи 1 и 2 взаимно перпендикулярны.

.

Если взять несколько границ раздела, то можно получить, что и луч 2 будет полностью поляризованным (оптическая стопа). Закон неприменим к металлам.

Б. Двойное лучепреломление.

Получать поляризованный свет можно различными путями. Для этих целей используются некоторые естественные кристаллы, которые обладают свойством анизотропии, т.е. различными оптическими свойствами по различным направлениям (кварц, исландский шпат СаСО3):

а) колебания по различным направлениям различны;

б) преломление на границе раздела двух сред для различных векторов также различно, т.е. вектора Еx и Еy фактически имеют различный показатель преломления n.

Это всё приводит к тому, что световой луч раздваивается.

Раздвоение естественного луча на два луча, поляризованных в различных плоскостях, называется двойным лучепреломлением.

В кристалле имеется направление, распространяясь параллельно которому, луч света не разбивается на два луча. Это направление называется оптической осью кристалла. Кристаллы, имеющие одну ось, называются одноосными, две – двуосными.

В одноосном кристалле:

плоскость, проходящая через направление луча и направление оптической оси, называется главным сечением.

В двуосном кристалле:

плоскость, проходящая через обе оптические оси, называется главным сечением кристалла.

Оптическая ось не представляет какой-то строго фиксированной линии в кристалле, а является лишь направлением, вдоль которого кристалл обладает особыми свойствами, поэтому любая линия, параллельная этому направлению, представляет собой оптическую ось (в одноосном кристалле бесконечное множество главных сечений).

Рассмотрим случай падения лучей в одноосном кристалле.

При любой ориентации падающего луча относительно направления оптической оси расположение его компонент следующее:

а) компонента  – вектор напряжённости электрического поля, по определению, везде направлен перпендикулярно направлению оптической оси и лежит в плоскости главного сечения, т.е. имеет одну и ту же ориентацию, независимо от угла падения, а следовательно, скорость распространения и показатель преломления не зависит от угла падения;

б) компонента  (компонента необыкновенного луча) везде лежит в плоскости главного сечения, а следовательно, должна завесить от угла падения луча, поэтому и скорость распространения и n зависят от угла падения.

Вывод:

Электрические колебания в обыкновенной волне совершаются перпендикулярно плоскости главного сечения, а электрические колебания в необыкновенной волне совершаются в плоскости главного сечения.

Явления двойного лучепреломления используют для получения поляризованного света. Для этих целей используют призмы.

Одна из наиболее известных поляризационных призм – призма Николя (николь), изобретена в 1828 году английским физиком У. Николем.

Изготавливается из исландского шпата (СаСО3).

Призма состоит из двух трехгранных призм, склеенных слоем канадского бальзама, показатель преломления которого обеспечивает полное внутреннее отражение для обыкновенного луча, т.е. призма Николя – однолучевая призма.

Необходимо отметить, что интенсивность естественного луча J0 при двойном лучепреломлении равна сумме интенсивностей обыкновенного и необыкновенного лучей:

J0 = Jоб + Je 

или           (2)

В. Линейный дихроизм.

Среды, обладающие оптической анизотропией в области полос поглощения света, неодинаково поглощают обыкновенный и необыкновенный лучи (линейный дихроизм). Если толщина пластинки, вырезанной из анизотропного материала (с полосами поглощения в нужной области спектра) параллельно его оптической оси, достаточна, чтобы один из лучей поглотился практически нацело, то прошедший через пластинку свет будет полностью поляризован. Такие приборы называются дихроичными или поляроидами.

Итак, суть механизма поляризации заключается в следующем:

Механизм поляризации

свет, проходя через поляроид, испытывает поглощение, величина которого зависит от ориентации вектора напряжённости электрического поля световой волны, т.е. степень поглощения есть функция ориентации  – это дихроизм.

В анизотропном кристалле поглощение будет зависеть от ориентации плоскости поляризации, т.е. обыкновенный и необыкновенный лучи будут поглощаться в разной степени.

В анизотропном кристалле турмалина дихроизм настолько сильно выражен, что необыкновенный луч практически полностью поглощается уже при толщине пластинки около 1 мм. Естественный луч, падающий на пластинку турмалина, выходит из неё полностью поляризованным в одном направлении. Такая пластинка называется поляризатором.

Чтобы убедиться в том, что полученный луч поляризован и выяснить направление поляризации используют вторую такую же пластинку, называемую при этом анализатором. 

Работа анализатора и поляризатора показаны на рисунке.

Если плоскости пропускания поляризатора и анализатора параллельны друг другу, то поляризованный свет пройдет через анализатор, почти не снижая своей интенсивности. Если же плоскости поляризатора и анализатора перпендикулярны друг другу, то анализатор полностью погасит падающий на него поляризованный луч. В этом случае говорят, что поляризатор и анализатор скрещены.

В промежуточных случаях интенсивность света, прошедшего через систему, будет зависеть от ориентации анализатора относительно поляризатора и имеет значение I, находящееся между Iо и нулем. Разберем этот вопрос несколько подробнее.

Обозначим амплитуду электрического вектора луча, прошедшего через поляризатор, буквой Ео. Плоскость анализатора А повернута относительно плоскости поляризатора Р на угол а (см. рис.). Разложим вектор Ео на две составляющие: параллельную плоскости анализатора (Е||) и перпендикулярную к ней (Е).

Это соответствует разложению волны, колеблющейся в плоскости Eо, на две волны, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях и колеблющиеся в одинаковой фазе. Одна из них Е|| пройдет через анализатор, а перпендикулярная Е погасится. Из рис. видно, что

   E|| = E0cosα        (3)

Отношение интенсивностей пропорционально отношению квадратов амплитуд:

и, следовательно          (4)

Уравнение (4) выражает закон Малюса.

Закон Малюса

Интенсивность света, прошедшего через анализатор (I), равна интенсивности света, прошедшего через поляризатор (I0), умноженной на квадрат косинуса угла (α) между анализатором и поляризатором.

При толстых пластинках в I0 надо вносить поправку на частичное поглощение (а также и отражение) проходящего луча.

Существуют кристаллы, задерживающие один из поляризованных лучей значительно сильнее, чем это происходит в турмалине. Получается, что кристаллическая пленка толщиной в десятую долю миллиметра и даже тоньше практически полностью отделяет один из поляризованных лучей. Нанося эти пленки на целлулоид, получают поляризующую пластинку размером в несколько квадратных дециметров и даже метров. Такие пластинки представляют собой удобные и дешевые поляризующие приспособления большой поверхности.

Рассмотрим общий случай прохождения естественного света через поляризатор и анализатор, которыми служат призмы Николя.

Пример:

Два Николя расположены так, что плоскости колебаний, пропускаемых ими, расположены под углом 45о друг к другу. На первый из Николей падает естественный свет. Какая доля этого света выйдет из второго Николя, если в каждом из них поглощается до 20% света?

φ = 450 

Кпол = 20%

J1= 0,5Jо(1 – k)

J2 = J1(1 – k)cos2φ = 0,5Jо(1 – k)2сos2φ

III. Вращение плоскости поляризации.

В кристаллических телах, а также в некоторых изотропных жидкостях, кроме описанного выше двойного лучепреломления, наблюдается еще одно явление, которое получило название вращение плоскости поляризации. Явление это было открыто и впервые изучено французскими физиками Араго и Френелем (1816 г.).

Явление вращения плоскости поляризации заключается в следующем.

Если в установке, изображенной на рисунке, поляризатор и анализатор поставлены так, что их плоскости колебаний скрещены (скрещенные николи), то при отсутствии пластинки P свет от источника I не будет проходить через анализатор.

Если же теперь поставить плоскопараллельную пластинку Р, вырезанную из кристаллического кварца перпендикулярно оптической оси, то поле зрения анализатора оказывается просветленным. Если теперь повернуть анализатор на некоторый угол, то поле зрения анализатора оказывается опять темным. Отсюда можно заключить, что плоскость поляризации света, прошедшего через поляризатор, испытала поворот в кварцевой пластинке на некоторый угол. Величина его определяется по углу, на который пришлось дополнительно повернуть анализатор, чтобы погасить проходящий через него свет. У кварца имеются две структурные модификации, из которых одна вращает плоскость поляризации света (если смотреть по лучу навстречу падающему свету) вправо (по часовой стрелке), вторая – влево (против часовой стрелки). Опыт показывает, что угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционален толщине вращающего слоя:

φ = αd,         (5)

где φ – угол поворота плоскости поляризации;

d – толщина пройденного лучом света слоя вещества (толщина пластинки);

α – угол вращения.

Наряду с твердыми веществами способностью вращать плоскость поляризации света обладает целый ряд чистых жидкостей и растворов многих веществ. Вещества, обладающие способностью вращать плоскость поляризации падающего на них света, называют оптически активными веществами, а саму способность вращать плоскость поляризации – оптической активностью.

Закон Био

Вращательная способность растворов прямо пропорциональна толщине слоя раствора и его концентрации:

φ= [α]dc,        (6)

где [α] – постоянная вращения;

d – толщина слоя;

с – концентрация раствора.

Из формулы (6) следует, что если известна величина [α], то, измеряя при данной толщине слоя d угол поворота плоскости поляризации φ, можно измерить концентрацию вещества в растворе. Ввиду того, что растворы сахара обладают большой вращательной способностью, это явление используют для измерения концентрации сахара в растворах. Для этой цели применяют специальные поляризационные приборы, которые получили название сахариметры.

IV. Поляризационные приборы и их применение.

Поляризационные приборы – оптические приборы для обнаружения и анализа, получения и преобразования поляризованного оптического излучения (света), а также для различных исследований и измерений, основанных на явлении поляризации света. Простейшие устройства:

а) линейные и циркулярные (по кругу) поляризаторы;

б) компенсаторы оптические (пластинка четверть длины);

в) деполяризаторы;

г) фазовые или волновые пластинки (для изменения состояния поляризации излучения).

Приборы для поляризационно-оптических исследований отличает чрезвычайное разнообразие сфер применения, конструктивного оформления и принципов действия. Их используют для фотометрических и пирометрических измерений, кристаллооптических исследований, изучения механических напряжений в конструкциях, в микроскопии, в поляриметрии и сахариметрии, в скоростной фото- и киносъемке, геодезических устройствах, в системах оптической локации и оптической связи, в схемах управления лазеров, для физических исследований электронной структуры атомов, молекул и твердых тел и многое другое.

Поляризационные приборы представляют собой основные элементы оборудования для кристаллооптических исследований сред, обладающих оптической анизотропией. При таких исследованиях широко применяются поляризационные микроскопы, позволяющие на основе визуальных наблюдений делать выводы о характере и величине оптической анизотропии вещества. Для прецизионного анализа оптической анизотропии и её зависимости от длины волны излучения применяются автоматические приборы с фотоэлектрической регистрацией.

Поляризационные приборы используются для обнаружения и количественного определения поляризации света. Простейшие из таких поляризационных приборов – полярископы. Предельно обнаруживаемая примесь поляризованного света определяется, в принципе, интенсивностью света, а практически достигает относительных значений ~10-8.

Существенную роль в химических и биофизических исследованиях играет обширный класс поляризационных приборов, служащий для измерения вращения плоскости поляризации в средах с естественной или наведенной магнитным полем оптической активностью (поляриметры) и дисперсии этого вращения (спектрополяриметры). Простыми, но практически очень важными поляризационными приборами являются сахариметры – приборы для измерения содержания сахара в растворах.

Поочерёдное колебания  (естественный свет)

Колебания  в плоскости, перпендикулярной чертежу

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Колебания  EMBED Equation.3  в плоскости чертежа

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

v

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Схематическое обозначение плоскостей колебаний

естественного и поляризованного света

v

частично поляриз.

полн. поляриз.

i

i

r

2

1

Испытывает преломление на границе раздела двух сред, показатель преломления n этого луча постоянен при любом угле падения луча

обыкновенный луч

Показатель преломления n для него зависит от угла падения

необыкновенный луч

луч света

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

вектор обыкн. волны

EMBED Equation.3  

опт. ось

α

J2

J1

Отрицательные n0 > ne

Положительные n0 < ne

Однохлучевые (пропускают необыкновенный и задерживают обыкновенный луч)

Двулучевые (пропускают оба луча)

ПРИЗМЫ

J0

П

А

Р

J

220

480

Jоб

об

680

направление оптической оси

е

EMBED Equation.3  

J0


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1505. Проектирование оптимальной организационной структуры в условиях глобальной конкуренции 97 KB
  Глобальные факторы конкуренции. Организационный дизайн для оптимизации преимуществ компании во внутренней конкуренции на внутреннем национальном рынке. Преимущества и недостатки СУРГ. Преимущества и недостатки ДСС. Организационный дизайн для оптимизации участия компании в международной конкуренции.
1506. Анализ ЗАО Городское освещение 102 KB
  Технология производства с общей схемой технологического процесса. Характеристика окружающей среды проектируемого объекта. Организация эксплуатация электрооборудования объекта. Планирование ТО и Р оборудования. Виды диагностирования электрооборудования.
1507. Особенности микропроцессорной техники 115.57 KB
  Основные направления в развитии микропроцессорной техники. Системы счисления. Цифровые электронные устройства. Технологии изготовления цифровых интегральных микросхем. Регистры микропроцессора. Аккумулятор, РОН, счетчик команд. Микропроцессорные средства и системы. Понятие дополнительного кода числа.
1508. Специальные налоговые режимы 103.5 KB
  Упрощенная система налогообложения (гл. 26.2 НК РФ). Система налогообложения в виде единого налога на вмененный доход для отдельных видов деятельности. Единый сельскохозяйственный налог для сельскохозяйственных товаропроизводителей. Соглашение о разделе продукции.
1509. Валютный рынок России 107.5 KB
  Формирование российского валютного рынка. Валютное регулирование. Регулирование валютного курса рубля и динамика его изменения. Перспективы развития российского рынка и стабилизации курса рубля.
1510. Понятия миссии и миссионерства/ О православной миссии 107.48 KB
  Понятия миссии и миссионерства. Традиционные и нетрадиционные религии. Причины возникновения миссионерства. Методология миссионерства. Основной принцип миссионера. Оружие миссионера.
1511. Анализ предприятия по его производственных цехов по производству военного оборудования 94.01 KB
  Структура предприятия и ее общая характеристика. Материально техническое снабжение предприятия. КИП и А, технологическое оборудование на предприятии. Анализ поступления изделий на участок. Разработка технологии настройки изделия.
1512. Композиционные материалы 67 KB
  Выбор материала корпуса. Армирующий материал. Выбор материала электродов. Свойства полипропилена, и его производство на предприятиях химической промышленности применяются различная аппаратура: реакторы, технологические газоходы, циклоны, каплеуловители, емкости и т.п.
1513. Проектирование предприятия по производству насосов 98.08 KB
  Определение плана производства и обоснование производственной мощности (на примере производства насосов). Технико-экономическое обоснование варианта размещения предприятия. Транспортные затраты по обеспечению завода материалами и полуфабрикатами.