Поглашение и рассеяние света. Закон Бугера.

Поглощением (абсорбцией) света называется явление уменьшения световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энергии волны в другие виды энергии. В результате поглощения интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается.

Поглощение света в веществе описывается законом Бугера

I = I₀ e ^–αx,

где I и I₀ –интенсивность плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной х, α — коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы и состояния вещества и не зависящий от интенсивности света.

Коэффициент поглощения зависит от длины волны (или частоты) и для различных веществ различен. Например, одноатомные газы и пары металлов обладают близким к нулю коэффициентом поглощения.

Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (примерно 10^-3–10^-5см^-1), однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волн.

Коэффициент поглощения для металлов имеет большие значения (примерно 10³-10⁵см^-1) поэтому металлы являются непрозрачными для света тем сильнее в нем поглощение света.

Зависимостью коэффициента поглощения от длины волны объясняется окрашенность поглощающих тел. Например, стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным. Это явление используется для изготовления светофильтров, которые в зависимости от химического состава пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные. Разнообразие пределов избирательного поглощения у различных веществ объясняет разнообразие и богатство цветов и красок, наблюдающееся в окружающем мире.

Явление поглощения широко используется в абсорбционном спектральном анализе смеси газов, основанном на измерениях спектров частот и интенсивностей линий (полос) поглощения. Структура спектров поглощения определяется составом и строением молекул, поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов количественного и качественного исследования вещества.

Рассеяние света может происходить в так называемых мутных сре­дах—средах с явно выраженными оптическими неоднородностями. К мутным средам относятся облака, дым, туман, эмульсия, коллоидные растворы и т. д., т. е., такие среды, в которых взвешено множество очень мелких частиц инородных веществ. Свет, проходя через мутную среду, дифрагирует от беспорядочно расположенных микронеоднородностей, давая равномерное распределение интенсивностей по всем направлениям, не создавая какой-либо определенной дифракцион­ной картины. Происходит так называемое рассеяние светав мутной среде. Это явление можно наблюдать, например, когда узкий пучок солнечных лучей, проходя через запыленный воздух, рассеивается на пылинках и тем самым становится видимым.

Рассеяние света (как правило, слабое) наблюдается также и в чистых средах, не содержащих посторонних частиц. Объясняется рассеяние света в сpeдах нарушением их оптической однородности, при котором показатель преломления среды не постоянен, а меняется от точки к точке. Причиной рассеяния света могут быть также флуктуации плотности, возникающие в процессе хаотического (теплового) движения молекул среды.

Рассеяние света в чистых средах, обусловленное флуктуациями плотности, анизотропии или концентрации, называетсямолекулярным рассеянием.

Молекулярным рассеянием объясняется, например, голубой цвет неба.

Согласно закону Д. Рэлея: интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны

I ~ v⁴ ~λ^-4. (25.12)

Поэтому голубые и синие лучи рассеиваются обусловливая тем самым голубой цвет неба.

По этой же причине свет, прошедший через значительную толщу атмосферы, оказывается обогащенным более длинноволновой частью спектра и поэтому при закате и восходе Солнце кажется красным. Флуктуации плотности и интенсивность рассеяния света возрастают с увеличением температуры. Поэтому в ясный летний день цвет неба является более насыщенным по сравнению с таким же зимним днем.

46ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ПРИЗМЫ.ПРИЗМА НИКОЛЯ..

Поляризационные призмы служат линейными поляризаторами - с их помощью получают линейно поляризованное оптическое излучение. Обычно поляризационные призмы состоят из двух или более трёхгранных призм, по меньшей мере одна из которых вырезается из оптически анизотропного кристалла. Конструктивно поляризационные призмы выполняют так, что проходящее через них излучение должно преодолеть наклонную границу раздела двух сред, на которой условия преломления света для компонент светового пучка, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, резко различаются.

В частности, для одной из этих компонент на границе раздела могут выполняться условия полного внутреннего отражения, в результате чего через поляризационную призму проходит лишь др. компонента. Таковы, например, широко распространённые однолучевые призмы Николя и Фуко (рисунок 6).

а	б
Рисунок 6 - Призма Николя (а, склейка клей- канадский бальзам) и укороченная поляризационная призма Фуко (б, с воздушным промежутком). Штриховка указывает направление оптических осей кристаллов в плоскости чертежа; направления вектора Е указаны на лучах стрелками (колебания в плоскости рисунка) и точками (колебания перпендикулярны плоскости рисунка)

Двухлучевые поляризационные призмы пропускают обе взаимно перпендикулярно линейно поляризованные компоненты исходного пучка, пространственно разделяя их. Чаще всего их изготовляют из исландского шпата СаСОз, прозрачного в диапазоне длин волн l= 0.2¸2 мкм, и кристаллического кварца SiO₂, прозрачного в диапазоне 0.185¸3.5 мкм. Призмы, из которых состоят однолучевые поляризационные призмы, склеивают прозрачным веществом с показателем преломления n»(n_o+n_e)/2. В некоторых призмах их части разделены воздушной прослойкой, что снижает потери на поглощение.

Применяют поляризационные призмы, в которых кристаллическая пластинка вклеена между двумя призмами из стекла, показатель преломления которого близок к большему показателю преломления кристалла. В таких поляризационных призмах проходит обыкновенный луч, а отражается необыкновенный.

Для того чтобы один из лучей претерпевал на границе раздела (склейки) полное внутреннее отражение, выбираются определённые значения преломляющих углов трёхгранных призм и, как правило, определённые ориентации оптических осей кристаллов, из которых они вырезаны. Такое отражение происходит, если углы падения лучей на поляризационную призму не превышают некоторых предельных значений, как в призмах Франка-Риттера Франка-Риттера (рисунок 7) и др.

Рисунок 7 - Поляризационная призма Франка-Риттера: а - вид сбоку, б - вид по ходу луча. Обозначения те же, что и на рисунке 1.8; клей -канадский бальзам; оптические оси кристаллических прямоугольных призм направлены под углом 45° к плоскости рисунка а и под углом 90° к плоскости колебаний вектора Е необыкновенного луча (его плоскости поляризации)

Среди двухлучевых поляризационных призм распространены также призмы Рошона, Сенармона, Волластона и некоторые др. (рисунок 2.8). Один из двух пропускаемых лучей в поляризационных призмах Рошона и Сенармона не меняет своего направления, другой (необыкновенный) отклоняется на угол q~5¸6°, сильно зависящий от длины волны света: q=(n_о-n_e)tga, где a - преломляющий угол трёхгранных призм. Поляризационная призма Волластона даёт удвоенный угол расхождения лучей 2q» 10°, причём при перпендикулярном падении отклонения лучей симметричны; эта поляризационная призма применяется в поляризационных фотометрах, спектрофотометрах и поляриметрах. Угол а в поляризационной призме из исландского шпата близок к 30°, из кристаллического кварца - к 60°.

Рисунок 8 - Двухлучевые поляризационные призмы: а - Рошона; б - Сенармона; в - Волластона; г -призма из исландского шпата и стекла; д - Аббе. Штриховка указывает направление оптических осей кристаллов в плоскости рисунка; точки означают, что оптическая ось перпендикулярна плоскости рисунка; стрелки и точки на лучах указывают направления колебаний вектора Е

Таким образом, для поляризационных призм, как правило, характерны незначительная апертура полной поляризации, однако они практически лишены хроматической аберрации. В поляризационных призмах со скошенными гранями проходящий луч испытывает параллельное смещение, поэтому при вращении призмы вокруг луча последний также вращается. От этого и некоторых иных недостатков свободны призмы в форме прямоугольных параллелепипедов. В то же время, не смотря на высокую стоимость и относительно большие размеры, поляризационные призмы незаменимы при работе в УФ области спектра и в мощных потоках оптического излучения и позволяют получать однородно поляризованные пучки, степень поляризации которых лишь примерно на 10^-5 отличается от 1.

Известно, что кристалл исландского шпата не только делит луч на обыкновенный и необыкновенный, но и ещё поляризует оба луча во взаимно перпендикулярных плоскостях, напрашивается идея использовать этот кристалл для поляризации естественного света. Для этой цели из исландского шпата изготовлена призма Николя.( рис. 6 ) Она состоит из двух компонент, представляющих собой две одинаковые треугольные призмы, склеенные канадским бальзамом. Канадский бальзам представляет собой смолу канадских хвойных деревьев, он обладает высокой прозрачностью, хорошими склеивающими свойствами и, что самое важное, его показатель преломления очень близок к показателю преломления стекла. Это позволяет снизить до минимума потери на внутреннее отражение на границе склеиваемых тел.

47.плоско поляризованный ,циркулярно и эллиптически поляризованный свет

получение и изучение эллиптически поляризованного света.

КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

При прохождении света через некоторые анизотропные кристаллы, оптические свойства которых неодинаковы по разным направлениям, наблюдается так называемое явление двойного лучепреломления. Оно заключается в разделении светового луча (световой волны) на два -обыкновенный (о) и необыкновенный (е), у которых колебания вектора напряженности электрического поля Е (светового вектора) взаимно перпендикулярны. Эти лучи изображается так, как показано на рис.10.1. В обыкновенном луче световой вектор Е колеблется перпендикулярно плоскости падения, в необыкновенном - в плоскости падения. Интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей, их показатели преломления и скорости распространения различны. Двойным лучепреломлением обладают турмалин, исландский шпат, слюда, кварц … .

На рис. 10.1 пунктиром показана оптическая ось кристалла ОО′. При распространении света вдоль нее разделения на два луча не происходит. Если кристаллическую пластинку вырезать параллельно оптической оси и пропустить через неенормально пучок света, то обыкновенный и необыкновенный луч выйдут из кристалла в одном направлении, пространственно не разделяясь. В этом случае имеет место сложение двух взаимно перпендикулярных колебания. Известно, что результатом такого сложения является эллиптически поляризованное колебание. Убедимся в этом. Пусть световой луч падает перпендикулярно плоскости чертежа (рис.10.2). Ось Х показывает направление оптической оси кристалла; вдоль нее будет колебаться световой вектор Е в необыкновенном луче. Тогда световой вектор обыкновенного луча будет совершать колебания вдоль оси У. Оси Х и У называются главными осями (направлениями) пластины. Е_ои Е_е - амплитудные значения векторов напряженностей электрического поля (световых векторов) в обыкновенном и необыкновенном лучах; ω - частота колебаний векторов. Тогда уравнения световых векторов во взаимно перпендикулярных направлениях х и у можно записать так:

х = Е_есosωt; у = Е_осos(ω t - δ), (10.1)

где δ - разность фаз, которую приобретают о - и е - компоненты на выходе из кристалла вследствие разных скоростей их распространения.

где n_о и n_е - показатели преломления обыкновенной и необыкновенной волн; Δ - оптическая разность хода этих волн; d - толщина кристалла.

Чтобы получить траекторию результирующего колебания, исключим (ω t) из уравнений (10.1), выполнив следующие преобразования:

сosωt = х/ Е_о; сos ²ωt·sin²ω t = (х/ Е_о) ²sin²ω t; (10.2)

у = Е_е(сosω t сosδ + sinω t sinδ), откуда

sinω t· sinδ = у/ Е_е - (х/ Е_о ) ·сosδ. (10.3)

Возводя (10.3) в квадрат и складывая с (10.2), получим:

(10.4)

Это есть уравнение эллипса, ориентированного некоторым образом относительно осей кристалла х и у (рис.10.2). Таким образом, можно утверждать, что результирующее колебание имеет характер эллиптической поляризации (эллиптически поляризованный свет). Это означает, что в каждой точке, через которую проходит свет, вектор Е вращается с угловой скоростью ω, изменяя при этом периодически свою величину.

Если кристаллическая пластинка имеет такую толщину, что разность хода обыкновенного и необыкновенного лучей составляет четверть длины волны («четверть волновая пластинка»), тогда

Δ = (n_о - n_е) d = λ/4 и δ = π/2.

В этом случае уравнение эллипса (10.4) примет вид

(10.5)

и мы получаем эллипс, ориентированный относительно главных осей кристалла Х и У. При Е_о = Е_е

х² + у² = Е_о², (10.6)

т.е. на выходе из кристаллической пластинки свет становится циркулярно поляризованным (поляризованным по кругу).

В данной работе анализируется эллиптически поляризованный свет, полученный с помощью четвертьволновой пластинки. Чтобы осуществить разность хода в четверть волны для желтого света, можно применить слюдяную пластинку толщиной 0,027 мм. Чаще предпочитают пользоваться более толстыми пластинками, дающими разность хода (m + 1/4)λ (m = 0, 1, 2, …). Для исследования свойств четвертьволновой пластинки, её помещают между скрещенными поляризаторами. При произвольном угле θ между плоскостью первого поляризатора РР′ и одной из главных осей кристалла свет на выходе из кристалла будет эллиптически поляризован (рис.10.3). Если угол θ = 45˚- световой луч будет поляризован по кругу, или циркулярно поляризован (рис.10.4). При θ= 0˚ или θ = 90˚ прошедший через кристаллическую пластинку свет станет плоско поляризованным.

Обнаружить тот или иной вид поляризации можно вращением второго поляризатора, который называют анализатором. (Для понимания этого вопроса рекомендуется прочитать теоретическую часть предыдущей лабораторной работы 9). Если интенсивность света на выходе из анализатора меняется от некоторого минимального (но не равного нулю) значения до максимального значения - это соответствует эллиптической поляризации света. Если свет циркулярно поляризован, интенсивность света после прохождения анализатора не меняется при разных углах его поворота. При плоской поляризации интенсивность света два раза обращается в ноль за полный поворот анализатора. По этому признаку определяют главные направления кристаллической пластинки.