Методы получения поляризованного света

Выделение направления световой волны, колеблющейся вдоль некоторого выбранного направления, например, вдоль оси Y, осуществляется с помощью поляризаторов, принцип действия которых основывается на различных физических эффектах. Наиболее распространены поляроидные плёнки, в которых свет с определенным направлением плоскости колебаний вектора проходит через пленку практически без поглощения, тогда как компонента светового поля, колеблющаяся в перпендикулярной плоскости, поглощается полностью. Это явление носит название дихроизм. В результате свет, прошедший через поляризатор, становится линейно поляризованным, а плоскость, в направлении которой колеблется вектор , определяет оптическую плоскость поляризатора. Явление дихроизма используется в так называемых поляроидных поляризаторах или поляроидах. Помимо этого для получения поляризованного света могут быть использованы и другие эффекты:

- Поляризация при отражении света от поверхности диэлектрика. В результате отраженный луч будет частично поляризован, а при определенном угле падения, называемом углом Брюстера, – линейно поляризованным со световой плоскостью, перпендикулярной плоскости падения света. Подобные поляризаторы, называемые «окнами Брюстера», используются в газовых лазерах. Преломленный луч света также будет частично поляризованным, но с малой степенью поляризации. Для увеличения степени поляризации луч света пропускают через стопу пластин, направляя его под углом Брюстера к плоскости пластин [1 – 3].

- Двойное лучепреломление. Оптическая анизотропия

При прохождении света через одноосные оптические кристаллы наблюдается эффект раздвоения луча на два линейно поляризованных пучка с взаимно перпендикулярной ориентацией световых плоскостей. Это явление носит название двойного лучепреломления. При наблюдении через такой кристалл какого-либо предмета мы получаем два смещенных друг относительно друга его изображения. Такое явление наблюдается в кристалле исландского шпата. Если направить по нормали на плоскопараллельную пластину, выполненную из одноосного кристалла, естественный луч света, то один из лучей будет распространяться в том же направлении (рис. 3) в соответствии с законами преломления света. В силу этого он называется обыкновенным лучом и на рисунке обозначается буквой «о». Световая плоскость полученного линейно поляризованного обыкновенного луча перпендикулярна плоскости, образованной направлением падения луча и оптической осью ОО кристалла.

Второй луч, называемый необыкновенным «е», отклоняется от нормали в нарушение законов преломления. Его световая плоскость совпадает с плоскостью чертежа (рис. 3). В результате два луча (обыкновенный и необыкновенный) оказываются линейно поляризованными с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации.

Рис. 3

На рисунке 3 точками и стрелками обозначены направления колебаний вектора в обыкновенном и необыкновенном лучах (на пластину падает неполяризованный свет). Данный эффект может наблюдаться с помощью анализатора, вращаемого вокруг своей оси.

- Интерференция поляризованных лучей, Если поместить между двумя поляризаторами пластинку из одноосного кристалла с оптической осью, параллельной плоскости кристалла, то на пластинку будет падать плоскополяризованный свет, а из пластинки в общем случае выходит эллиптически поляризованный свет. При выходе из второго поляризатора (называемого анализатором) свет снова будет плоскополяризованным. Его интенсивность зависит от взаимной ориентации световых плоскостей поляризатора, анализатора и оптической оси пластинки, а также от разности фаз приобретаемым обыкновенным и необыкновенным лучами при прохождении через пластинку.

, (1)

где n_c – n_o – разность коэффициентов преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, зависящая от длинны волны света λ₀ в вакууме,

h – толщина пластинки.

Из сказанного выше следует, что при вращении световой плоскости анализатора вокруг оптической оси. Если за анализатором установить экран, то при этом его окраска будет изменяться.

Если между поляризатором и анализатором одноосная пластина различной толщины, то на экране различные участки будут окрашены в различные цвета. При вращении анализатора эти цвета будут меняться.

Закон Малюса

Определим зависимость интенсивности I прошедшего через анализатор света от угла, a между оптической плоскостью анализатора и световой плоскостью падающего на него линейно поляризованного света интенсивностью I₀. Очевидно, анализатор пропускает только компоненты вектора , совпадающие с оптической плоскостью анализатора, см. рис. 4:

= ×cosa.

Так как интенсивность света I пропорциональна квадрату амплитуды колебания, отсюда следует соотношение:

I = I₀cos²a,

известное, как закон Малюса (рис. 4), где: – плоскость анализатора, – направление колебания светового вектора в падающей волне.

Если для получения из естественного света линейно поляризованного используется поляризатор, то угол a можно измерять, как угол между оптическими плоскостями поляризатора и анализатора. В этом случае под I₀ понимают интенсивность света, прошедшего через поляризатор, и тогда закон Малюса формулируется следующим образом:

L t1UKDXHTtVBSKC5JzEtJzMnPS7VVqkwtVrK34+UCAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEAlDExecQA AADcAAAADwAAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbESPQYvCMBSE7wv+h/CEvYimuotoNYoICx4WF6vi9dk8 22LzUppo6783grDHYWa+YebL1pTiTrUrLCsYDiIQxKnVBWcKDvuf/gSE88gaS8uk4EEOlovOxxxj bRve0T3xmQgQdjEqyL2vYildmpNBN7AVcfAutjbog6wzqWtsAtyUchRFY2mw4LCQY0XrnNJrcjOB sh8109Nf75xs19PMtb80OV5Jqc9uu5qB8NT6//C7vdEKvobf8DoTjoBcPAEAAP//AwBQSwECLQAU AAYACAAAACEA8PeKu/0AAADiAQAAEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAW0NvbnRlbnRfVHlwZXNdLnht bFBLAQItABQABgAIAAAAIQAx3V9h0gAAAI8BAAALAAAAAAAAAAAAAAAAAC4BAABfcmVscy8ucmVs c1BLAQItABQABgAIAAAAIQAzLwWeQQAAADkAAAAQAAAAAAAAAAAAAAAAACkCAABkcnMvc2hhcGV4 bWwueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAJQxMXnEAAAA3AAAAA8AAAAAAAAAAAAAAAAAmAIAAGRycy9k b3ducmV2LnhtbFBLBQYAAAAABAAEAPUAAACJAwAAAAA= " strokeweight="1pt"/>

X   a     Рис. 4

«интенсивность I света, прошедшего через анализатор, равна произведению интенсивности I₀ света, прошедшего через поляризатор, на квадрат косинуса угла a между оптическими плоскостями поляризатора и анализатора».

Из закона Малюса следует, что при скрещенных (то есть расположенных под углом a = 90°) поляризаторе и анализаторе интенсивность прошедшего луча будет равна нулю. Максимальная интенсивность I будет наблюдаться в случае совпадения оптических плоскостей анализатора и поляризатора (a = 0°).

Порядок выполнения работы

На рис. 5 показано расположение установки на рабочем месте.

Рис. 5

Здесь используются следующие обозначения:

ИС – источник света; П – поляроид (поляризатор или анализатор), закреплённый на рейтере; ПЛ – пластина двоякопреломляющего кристалла, закреплённая на рейтере; Д – диафрагма, закреплённая на одном рейтере с ПЛ; О – объектив, закреплённый на рейтере; Э – экран; СП – слюдяная пластина, закреплённая на рейтере; МБ – модель балки, закреплённая на рейтере;

Задание 1. Получение и исследование поляризованного света

1. На оптической скамье вдоль оптической оси разместить последовательно: источник света ИС, поляроид П (поляризатор), объектив О и экран Э, (рис. 6).

ИС П О Э   Рис. 6

2. Перемещая объектив, добиться четкого изображения светового пятна на экране. Для совмещения окон поляроида и объектива со световым окном осветителя на рейтерах с поляроидом и объективом имеется специальное винтовое устройство.

3. Вращая поляроид П вокруг оптической оси, наблюдать за освещенностью пятна на экране. Объяснить полученную картину.

4. Поместить между поляроидом П и объективом О дополнительный поляроид А (анализатор) в соответствии с рис. 7.

ИС П А О Э   Рис. 7

5. Вращая анализатор А вокруг оптической оси на углы от 0° до 360°, добиться последовательно максимальной и минимальной освещенностей светового пятна на экране 4, фиксируя угол b поворота анализатора по шкале, закрепленной на рейтере. Результаты измерения углов b занести в таблицу 1.

Пользуясь шкалой на рейтере, определите значение угла поворота a₁ поляризатора П и запишите его в таблицу 1.

Проведите измерения для двух других значений угла поворота поляризатора (a₂ и a₃), зафиксировав их в таблице 1.

Таблица 1

Угол на шкале поляризатора, град.	Угол b (в градусах) на шкале анализатора при освещённости экрана
макс	мин	макс	мин
a1 =
a2 =
a3 =

Задание 2. Исследование свойств обыкновенного и необыкновенного лучей, получаемых с помощью пластины из одноосного кристалла

1. В соответствии с рис. 8 разместить последовательно на оптической скамье: источник света ИС, двоякопреломляющую пластину ПЛ с закрепленной на держателе диафрагмой Д, поляроид (анализатор) А, объектив О и экран Э. Диафрагму установить на самое маленькое отверстие.

Замечание: пластина с диафрагмой должна быть установлена так, чтобы диафрагма была повернута к источнику света.

ИС Д ПЛ А О Э   Рис. 8.

2. Вывести анализатор А из поля светового луча.

3. Перемещая объектив О, добиться четкого изображения двух световых пятен на экране Э.

4. Вращать вокруг оптической оси пластину ПЛ, наблюдая за положением пятен на экране.

5. В соответствии с рис. 3 определить, какой из двух лучей является обыкновенным, а какой – необыкновенным.

6. Поместить анализатор А между пластиной ПЛ и объективом О.

7. Вращая анализатор А относительно оптической оси, отмечать по шкале углы, соответствующие максимумам и минимумам интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей по освещенности пятен на экране Э. Результаты измерений внести в таблицу 2 в первую строку («без поляризатора»).

Таблица 2

Взаимное Расположение поляроидов, град	Углы, соответствующие интервалам, град
Обыкновенный луч	Необыкновенный луч
макс	мин	макс	мин	макс	мин	макс	мин
Без поляризатора
При скрещенных поляроидах
При параллельных поляроидах

8. По результатам измерений определить угол между плоскостями поляризации обыкновенного и необыкновенного лучей.

9. На оптической скамье между источником света ИС и пластиной ПЛ с диафрагмой Д поместить поляризатор П (рис. 9).

ИС П Д ПЛ А О Э   Рис. 9

10. Вынуть оправу с пластиной ПЛ из стойки. Вращая один из поляроидов, добиться минимума освещенности светового поля на экране Э.

11. Вновь закрепить на стойке оправу с пластиной ПЛ.

12. Вращая пластину ПЛ вокруг оптической оси, измерить по шкале её углы поворота, соответствующие максимальному и минимальному значениям интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей. Результаты измерений внести в таблицу 2 во вторую строку («при скрещенных поляроидах»).

P K     A A     K P   Рис. 10

13. Пользуясь векторной диаграммой (рис. 10), объяснить полученные закономерности в изменении интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей.

Здесь РР и АА – оптические плоскости поляризатора и анализатора соответственно, а KK – оптическая плоскость кристалла, проходящая через его оптическую ось и направление падения светового луча. Получаемый после поляризатора линейно поляризованный луч света с амплитудой разлагается после кристалла на необыкновенный и обыкновенный лучи. Анализатор выделяет проекции амплитуд необыкновенного и обыкновенного лучей.

14. Повторить предыдущий опыт, настроив поляроиды на максимальную освещенность. Результаты измерений внести в таблицы 2 в третью строку («при параллельных поляроидах»). Полученную закономерность объяснить с помощью соответствующей векторной диаграммы.

Задание 3. Получение и исследование картины интерференции поляризованных лучей

Из каждой точки любого двоякопреломляющего кристалла выходят по два луча (рис. 11): обыкновенный и необыкновенный, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющие некоторую разность хода, пропорциональную разности показателей преломления обоих лучей в кристалле и толщине кристалла. Вследствие некогерентности колебаний эти лучи не могут интерферировать между собой.

Рис. 11

Интерференцию обыкновенного и необыкновенного лучей можно наблюдать при условии, что оба луча получены из предварительно поляризованного света и каким-либо дополнительным способом осуществляется параллельность векторов и . Необходимые для интерференции условия могут быть выполнены, если двоякопреломляющую среду поместить между двумя поляроидами, один из которых создаст падающий на кристалл поляризованный свет, а второй спроектирует оба вектора и на одно направление (рис. 9). В данном опыте в качестве двоякопреломляющей среды берётся слюдяная пластинка, неодинаковая по толщине (это достигается посредством наклеивания друг на друга нескольких слюдяных кружков). При прохождении белого света через эту двоякопреломляющую пластинку для различных длин волн создаются разные условия интерференции, что приводит к окрашиванию отдельных частей пластинки в разные цвета. Тон окраски картинки, полученной на экране, определяется:

а) толщиной пластинки;

б) разностью показателей преломления для обыкновенного луча и необыкновенного луча;

в) соответствующих длин волн этих лучей.

ИС П СП А О Э   Рис. 12

Поворот анализатора на 90° приводит к появлению дополнительной разности фаз, равной p, то есть ослабляются лучи тех длин волн, для которых до поворота анализатора выполнялось условие максимума. Следовательно, поворот анализатора должен привести к изменению окраски отдельных участков пластинки.

Для наблюдения интерференции поляризованных лучей следует поместить на оптической скамье объекты в следующей последовательности (рис. 12):

а) источник света ИС; б) поляризатор П; в) слюдяная пластинка СП; г) анализатор А; д) объектив О; е) экран Э.

На экране получить отчётливую картину разноцветных перекрывающихся кругов. Вращая анализатор, наблюдать изменение окраски кругов. Одну из полученных картин зарисовать (можно сделать фотографию), приложив к отчёту и дать её объяснение.

Задание 4. Изучение распределения механических напряжений в балке с помощью поляризованного света

1. Разместить последовательно на оптической оси (аналогично рис. 12, заменив слюдяную пластину СП на модель балки МБ):

а) источник света; б) поляризатор; в) модель балки; г) анализатор; д) объектив; е) экран.

2. Перемещая объектив вдоль оптической оси, добиться четкого изображения модели балки на экране.

3. Вращая один из поляроидов, добиться минимальной освещенности изображения модели балки на экране.

4. С помощью рычагов осуществить изгиб модели балки и зарисовать полученную (можно сделать фотографию) на экране картину, приложить к отчёту и дать её объяснение.

5. Повторить тот же опыт с «параллельными» поляроидами (с совпадающими оптическими плоскостями поляризатора и анализатора). Зарисовать полученную картину (можно сделать фотографию), приложить к отчёту и дать её объяснение.

Контрольные вопросы

1. Для каких волн (поперечных или продольных) наблюдается явление поляризации?

2. Какова природа света?

3. Какие виды поляризованного света существуют?

4. Что такое степень поляризации света?

5. Каковы методы получения поляризованного света?

6. Как отличить естественный свет от частично или линейно поляризованного света?

7. Можно ли с помощью анализатора различить естественный и циркулярно поляризованный свет?

8. Как формулируется закон Малюса?

9. Будет ли поляризован отраженный луч при падении по нормали на стеклянную пластину естественного света?

10. Записать закон Малюса с учётом поглощения в анализаторе. Коэффициент поглощения принять равным k.

11. Как поляризованы обыкновенный и необыкновенный лучи?

12. Что такое оптическая ось кристалла?

13. Что такое наведённая оптическая анизотропия?

14. Нарисовать ход линейно поляризованного луча света, световая плоскость которого совпадает с плоскостью чертежа (рис. 3), при прохождении его через двулучепреломляющую пластину.

Список литературы

1. Савельев И.В. Курс физики. М.: Наука, 1989.-Т.3.

2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. – М.: Изд-во «Академия», 2003. – 720 с.

3. Ландсберг Г.С. Оптика. Учебное пособие: Для вузов. – 6-е изд. – М.: Физматлит, 2003. – 848 с.

СОДЕРЖАНИЕ

Работа 301	Изучение явления интерференции света с помощью бипризмы Френеля.
Работа 302	Изучение дифракции света в сходящихся лучах (дифракция Френеля)
Работа 303	Изучение явления дифракции света в параллельных лучах (дифракция Фраунгофера)
Работа 304	Изучение дифракции Фраунгофера на дифракционной решетке
Работа 305	Исследование спектров поглощения и пропускания
Работа 336	Изучение основных явлений поляризации света

Учебно-методическое издание

Евгений Викторович Андрианов

Евгений Васильевич Васильев

Виктория Анатольевна Васина

ФИЗИКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

301, 302, 303, 304, 305, 336

Под общей редакцией доц. С.Г. Стоюхина

Подписано к печати Усл. печ. л. - 2,75 Формат 60 ´ 84/16

Тираж 500 экз. Изд. № 332-01 Заказ №