Изучение свойств поляризованного света

Цель работы:изучение методов поляризации света и проверка закона Малюса.

I. Основные понятия и определения

Одним из следствий электродинамики Максвелла является поперечность электромагнитной волны: вектора электрического вектора Е и магнитного вектора Н полей взаимно перпендикулярны вектору скорости V волны ( волновому вектору k= 2П/a = w/v). Для характеристики положения и поведения векторов полей волны в пространстве вводятся понятия плоскостей колебаний и поляризации: в плоскости колебаний лежат вектора Е и V, в плоскости поляризации – Н и V.

Если плоскости не меняют ориентации в пространстве с течением времени, то волна называется плоско поляризованной, если вращается с частотой волны – циркулярно поляризованной. Концы векторов полей волны в случае циркулярной поляризации описывают в пространстве цилиндрическую спираль, а при наблюдении вдоль вектора V – круг.

В частном случае циркулярной поляризации амплитуда векторов может периодически меняться и кривая, описываемая концами векторов, при наблюдении вдоль направления распространения будет эллипсом. Такая волна называется эллиптически поляризованной. Естественное излучение представляет собой набор цу­гов разной поляризации и поэтому не будет поляризованным. Следовательно, под поляризационной волной следует понимать волну, плоскости колебаний и поляризации которой изменяют своё положение в пространстве по определенному закону.

Многие оптические явления в веществе нечувствительны к ориентации электрического вектора. Такие среды называются оптически изотропными. Однако в ряде случаев условия распространения волны зависят от её поляризации. Явление зависимости оптических свойств среды от ориентации электрического вектора волны называется оптической анизотропией.

В общем случае оптическая анизотропия обусловлена нарушением сферической симметрии атомов и молекул вещества. Согласно принятым взглядам, процесс распространения волны в веществе определяется переизлучением атомов имолекул энергии проходящей волны в энергию вторичных волн, можно заключить, что вследствие асимметрии атомов и молекул переизлучение будет определяться ориентацией электрического вектора проходящей волны.

Показательны с этой точки зрения так называемое односторонние кристаллы, которые, являясь оптически прозрачными, обнаруживают анизотропию показателя преломления. Причем, вдоль некоторого направления, называемого осью, показатель преломления не зависит от поляризации света. Электрический вектор волны, распространяющийся вдоль оптической оси, всегда перпендикулярен оптической оси. Луч, электрический вектор которого перпендикулярен оптической оси, называется обыкновенным. Его скорость обозначается V₀ и показатель преломления п₀: V₀ =с/п₀. Другую скорость имеет луч, электрический вектор кото­рого параллелен оптической оси – необыкновенный луч. Его скорость V_e = c/n_e. Для обыкновенного луча выполняется закон преломления: sini = п₀sinr, где п₀ – относительный показатель преломления для обыкновенного луча, для необыкновенного не выпол­няется. Если естественный свет падает под углом к оптической оси ОО', как изображено на рис., то он раздваивается на два луча со взаимно перпендикулярной поляризацией.

Условимся называть луч с вектором Е₁ – лучом с перпендикулярной поляризацией, Е₂ – лучом с параллельной поляризацией. На явлении двойного лучепреломления основано дей­ствие призмы Николя, в кото­рой путем подбора углов и показателей преломления обыкновенный луч уводятся на боковую грань призмы и пог­лощается поглощающим покры­тием, а необыкновенный про­ходит через призму с небольшим осевым смещением. Таким образом, луч, проходящий через призму, имеет электрический вектор, параллель­ный оптической оси.

При падении естествен­ного света на границу раздела сред с разными показателями преломления волны с параллельной и перпендикулярной поляризацией находятся в разных условиях, как показано на рис. 2.1.

Действительно, луч с Е₂ при любом угле падений имеет вектор, параллельный границе раздала Луч с E₁ при разных углах падения меняет свою ориентацию.

Учитывая, что переменный электрический диполь, ка­ким является атом в поле волны, максимально излучает в направлении, перпендику­лярном своей оси и не излу­чает в направлении оси, можно показать, что при некото­ром угле падения – угле Брюстера, отражение луча с перпендикулярной поляризацией не проходит, как показано на рисунке 2.1. Анизотропия коэффици­ента отражения используется, для поляризации естественного света с помощью стопы Столетова.

Она представляет собой стопу стеклянных пластинок, на которые свет падает под углом Брюстера. На каждой грани пластинок происходит отражение части света с параллельной поляризацией. При достаточно большем числе отражений свет только с перпендикулярной поляризацией. Асимметрия ато­мов и молекул проявляется также в зависимости коэффициента пог­лощения от поляризации света. Явление зависимости поглощения света от ориентации электрического вектора называется дихроизмом. В дихроичных кристаллах (турмалин) сильно поглощается свет с перпендикулярной поляризацией и, следовательно, выходит свет с параллельной поляризацией. Недостатком дихроичных кристаллов является зависимость поглощения от длины волны – сильнее поглощается коротковолновое излучение. Дихроизм нашел применение в поляроидах, представляющих собой пленку из ориентированных крис­талликов турмалина.

Общее название для приборов, позволявших получить из естест­венного света поляризованный поляризатор, а для исследования поляризованного света анализатор. Таким образом, названия поляриза­тор и анализатор определяются положением поляризационных приборов относительно друг друга. Очевидно, что через поляризатор пройдет световой поток, равный половине падающего. Если после, поляризатора поставить анализатор, то световой поток, прошедший через анализатор, будет зависеть от угла между оптическими осями поляризатора и анализатора. Действительно, свет, прошедший через поляризатор будет иметь вектор электрического поля, направленный под углом aк оптической оси анализатора, через который пройдет составляющая, параллельная его оптической оси. Следовательно, через систему поляризатор-анализатор пройдет поток

Ф = 0,5Ф₀cos²– закон Малюса.

Некоторые оптически активные вещества (целлофан, раствор кислоты, сахара) способны поворачивать плоскость поляризации. Угол поворота a пропорционален толщине активного слоя l и концентрации с (для растворов) a = [a]lc, где [a] = 0,67град*м²/кг.

II. Методика эксперимента

Проверка закона Малюса

Согласно выражению для закона Малюса световой поток, прошед­ший через поляризатор и анализатор, пропорционален квадрату коси­нуса угла между их оптическими осями. Если в качестве датчика светового потока использовать фотоэлемент, то его сигнал (напря­жение) будет пропорционален световому потоку. Поэтому, помещая последовательно источник света, поляризатор, анализатор и фото­элемент, и измеряя зависимость напряжения фотоэлемента от угла поворота поляризатора или анализатора, можно получить зависимость U(a), которая должна быть пропорциональна зависимости cos²a Для приведения к единому масштабу удобнее измерять зависимость (U/U₀)( a), где – U₀ максимальное значение напряжения фотоэлемента из значений, получаемых при изменении aболее чем на П/2. Некоторое несовпадение кривых может быть по при­чине зависимости коэффициента поглощения от длины волны, если в качестве поляризационных приборов используются поляроида. При скрещённых поляроидах установленных на оптической скамье поместить между ними модель рельса из плексиглас поместить за анализатором видеокамеру и навести на резкость по модели рельса. Исследовать двойное лучепреломление при искусственной анизотропии деформированной модели рельса сделать рисунок и вывод о распределении механических напряжения в образце. Убрав модель рельса установить на его место целлофановую пленку с кругами различной толщены. Поворачивая целлофан наблюдать интерференцию поляризованного света. Объяснить явление.

III. Проведение эксперимента и обработка результатов

I. Расположить оптические приборы на скамье для опыта по проверке закона Малюса. Включить источник света.

2. Совместить на поляроиде со шкалой указатель с нулевым делением. Поворотом другого поляроида вокруг горизонтальной оси добиться максимального показания измерительного прибора, соединенным с фотоэлементом. Это будет означать U₀.

3. Снять показания измерительного прибора при повороте градуированного поляроида на Пчерез каждые 10°. Данные занести в таблицу. Приборы со скамьи снять.

4. Вычислить значения U/U₀ и cos²a построить график(U/U₀)( a) и (cos²a)(a).

Контрольные вопросы

1. Какими параметрами следует охарактеризовать электромагнитную волну для определения её ориентации в пространстве?

2. Как связано поведение электрического вектора волны с разными типами её поляризации?

3. Что понимается под оптической анизотропией среды? Какова её общая причина?

4. Как распространяется волна в одноосном кристалле? Что оз­начают определения “обыкновенный и необыкновенный" лучи?

5. Какие основные поляризационные приборы связаны с оптической анизотропией и как они действуют?

6. В чём проявляется анизотропия отражения и поглощения света?

Что скрывается за понятием "угол Брюстера"?

7. Как объяснить закон Малюса?

8. Как проверить закон “Малюса”?

9. Как определить экспериментально угол Брюстера?

10. Что собой представляет зависимость (V/V₀)(i)?

11 . Какова методика проведения эксперимента?

a, i
U, дел.
U/U0
cos2a