Теоретические основы работы. Цель работы – изучение состояния поляризации излучения лазера; экспериментальное определение угла Брюстера и показателя преломления стекла

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА БРЮСТЕРА

Цель работы – изучение состояния поляризации излучения лазера; экспериментальное определение угла Брюстера и показателя преломления стекла.

Теоретические основы работы

Электромагнитные волны поперечны. Это означает, что вектора напряженности электрического поля и магнитного поля электромагнитной волны перпендикулярны вектору ее скорости . В связи с этим возможно такое явление, как поляризация света.

Поляризованным называется свет, в котором колебания светового вектора (вектора напряженности электрического поля) каким-либо образом упорядочены. Приборы, которые используются для поляризации света, называются поляризаторами, а приборы, предназначенные для исследования поляризованного света, – анализаторами. Поляризаторы и анализаторы при прохождении через них естественного или поляризованного света пропускают только колебания светового вектора, параллельные определенной плоскости, которая плоскостью поляризатора или анализатора.

В линейно поляризованном свете колебания светового вектора происходят в строго определенной плоскости, проходящей через ось светового луча. Эта плоскость называется плоскостью поляризации (в некоторой литературе по историческим причинам эта плоскость называется плоскостью колебаний, а плоскостью поляризации называется перпендикулярная ей плоскость).

Для выделения поляризованного света из естественного света используются физические явления, обусловленные взаимодействием электромагнитных волн с веществом:

- избирательное поглощение света средами, анизотропными в отношении направления колебания вектора напряженности электрического поля, называемое дихроизмом. На этом явлении основано действие поляроидных пленок или поляроидов. Поляроид представляет собой тонкую пленку (толщиной ~ 0,05 мм), на которую нанесены мелкие, ориентированные вдоль одного направления кристаллы герапатита. Такую пленку помещают между двумя пластинками стекла или прозрачного пластика. Достоинство поляроидов заключаются в том, что они имеют малую толщину и могут иметь большую поверхность;

- поляризация при отражении и преломлении света на границе раздела двух диэлектриков. Это явление используется в таких поляризационных приборах, как стопа Столетова и черное зеркало;

- явление двойного лучепреломления при прохождении света через анизотропные кристаллы. Поляризационный прибор, в котором используется это явление, называется призмой Николя.

При прохождении через идеальный анализатор линейно поляризованного света с амплитудой светового вектора E₀ (см. рис. 1), плоскость поляризации которого составляет угол j с анализатора, анализатор пропускает только компонент светового вектора E_||, параллельный оси пропускания:

Как известно, интенсивность света пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Поэтому зависимость интенсивности I линейно поляризованного света, прошедшего через анализатор, от угла φ между плоскостью поляризации и плоскостью анализатора имеет вид

(1)

где I₀–интенсивность линейно поляризованного света.

Если свет поляризован не полностью, то его интенсивность можно представить как сумму интенсивности I_0п полностью линейно поляризованного света и интенсивности I_0е естественного света. Интенсивность такого света после прохождения через анализатор будет

(2)

При угле j,равном нулю, интенсивность проходящего света будет максимальной, а при j=90°– минимальной(но не равной нулю). Степень поляризации линейно поляризованного света определяется выражением:

(3)

Степень поляризации естественного света P = 0, линейно поляризованного P = 1, частично поляризованного 0 < P < 1.

Рассмотрим подробнее поляризацию света при отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектриков. При падении естественного света на стеклянную пластинку под некоторым углом b преломленный и отраженный свет оказывается частично поляризованным, причем, в отраженной свете преобладают колебания вектора напряженности электрического поля в плоскости, перпендикулярной плоскости падения (см. рис.2), а в преломленном – в плоскости падения.

Рис. 2. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков

При некотором угле падения световой волны на стеклянную пластинку отраженный свет оказывается полностью поляризованным. Это происходит в том случае, когда тангенс угла падения равен относительному показателю преломления стекла. Такой угол называется углом полной поляризации или углом Брюстера:

(4)

При угле падения, равном углу Брюстера, направления отраженного и преломленного лучей взаимно перпендикулярны (см. рис. 3).

Рис. 3. Полная поляризация света при угле падения, равном углу Брюстера

Преломленный свет при любом угле падения остается частично поляризованным.