ïÉ 20 (Лабораторная работа № 20 Изучение явления поляризации света. Закон Малюса)

Лабораторная работа № 20Изучение явления поляризации света. Закон Малюса.Цель работы: изучение явления поляризации света, проверкасправедливости закона Малюса.1. ВведениеЯвление поляризации света обусловлено его электромагнитной природой.Если в некоторой области пространства распространяетсяэлектромагнитная волна, то в каждой точке этой области в определённыймомент времени можно указать величину и направление трех векторов: векторанапряжённости электрического поля E , вектора напряжённости магнитногополя H и вектора скорости волны v . Векторы E , H и v в любой точкепространства и в любой момент времени взаимно перпендикулярны и образуютправую тройку: если смотреть вдоль вектора v , то поворот от вектора E квектору H на 90° будет осуществляться по часовой стрелке (рис.

1).Рис. 1Рис. 2Таким образом, векторы E и H электромагнитной волны всегда лежат вплоскостях, перпендикулярных направлению ее распространения, т. е.электромагнитные волны являются поперечными.Свет, в котором направления колебаний светового вектора E упорядоченыкаким-либо образом, называется поляризованным. Если в световом лучеколебания вектора E совершаются в одной плоскости, то свет называетсялинейно поляризованным или плоско поляризованным. Плоскость, образованнаявекторами E и v , называется плоскостью поляризации (рис.

1). Естественный(неполяризованный) свет представляет собой совокупность волн со случайнойориентацией плоскостей поляризации. При этом ни одно из направленийколебаний вектора E не является преимущественным. Это объясняется тем, чтов обычных источниках света (Солнце, лампа накаливания и т. д.) светиспускается огромным числом атомов, которые излучают электромагнитныеволны с различной поляризацией. При этом каждый акт испускания фотонаодним и тем же атомом происходит с отличной от предыдущего поляризацией.Поэтому в неполяризованной волне колебания вектора E равновероятны вовсех возможных направлениях плоскости, перпендикулярной вектору скоростиволны. На рис.

2 показано расположение векторов E в пучке лучейестественного света в некоторой точке пространства в какой-либо моментвремени.Поляризованный свет может быть получен непосредственно от источника,например, лазера, излучение которого линейно поляризовано.Способы получения поляризованного света из естественного основаны наявлении поляризации света при отражении и преломлении на границе разделадиэлектриков, на явлениях поляризации света при двойном лучепреломлении вкристаллах и дихроизме.В общем случае при отражении естественного света от диэлектрикаполучается только частично поляризованный свет.

В частично поляризованномсвете имеется преимущественное направление колебания вектора E , но оно неявляется единственным.На рис. 3 показан луч естественного пучка света, падающий на границураздела двух сред. Преломленные и отраженные световые пучки частичнополяризованы.

Степень поляризации световой волны зависит от угла падения φ.На этом рисунке в падающем пучке света через E||i и Ei обозначенысоставляющие вектора E , соответственно параллельные и перпендикулярныеплоскости падения луча (т. е. плоскости, в которой лежит падающий луч, иперпендикуляр к границе раздела двух сред). Условно они обозначенычерточками и точками.

Через E||r и Er обозначены соответствующиекомпоненты отраженного пучка света, а величины E||r и Er характеризуютпреломленную волну.2Рис. 3При определенном угле падения света φБр, который называется угломБрюстера, отраженный свет становится линейно поляризованным, причемсохраняется только перпендикулярная составляющая вектора Er . УголБрюстера находится из соотношенияtg Бр  n ,где n – показатель преломления среды, на которую падает свет из воздуха.Для стекла φБр = 57°.При полной поляризации отраженного пучка света угол междуотраженным и преломленным лучами равен 90°. Преломленный световойпучок остается частично поляризованным. Физический смысл закона Брюстерадовольно прост.

Падающая волна на границе раздела сред возбуждаетколебания электронов, которые становятся источниками вторичных волн. Этиволны и формируют отраженный и преломленный лучи. Так как колеблющийсядиполь излучает преимущественно в направлении, перпендикулярном осидиполя (рис.

4), то две составляющие вектора E ( E||i и Ei ) оказываются внеодинаковых условиях.Рис. 43Так, если падает свет с составляющей вектора E , перпендикулярнойплоскости падения Ei , и формируется вторичная волна, поляризованная такимже образом (т. е. перпендикулярно плоскости падения света). Причем, так какдиполь равномерно излучает вторичные волны по всем направлениям,перпендикулярным его оси, то эта компонента света в равной мере участвует вформировании отраженной и преломленной волн (рис. 5а).Рис. 5Иначе обстоит дело для компоненты света E||i . Поскольку диполь неизлучает вторичные волны вдоль своей оси, то эти волны преимущественноформируют преломленный луч, лишь частично попадая в отраженный луч (см.рис. 5б).

При определенном угле падения φ = φБр ось диполя совпадает снаправлением формирования отраженного луча, и отраженный луч просто неможет возникнуть. Если под этим углом падает естественный свет, в которомодновременно присутствуют обе компоненты вектора E , то компонентыпараллельной плоскости падения в отраженной волне не будет, остается лишькомпонента Er . Очевидно, что в этой ситуации угол между отраженным ипреломленным лучами будет равен 90°.Для того, чтобы достичь большей степени поляризации преломленногопучка света, его пропускают под углом Брюстера через стопу стеклянныхпластин, наложенных одна на другую (стопа Столетова).

Число пластин в стопедостигает 8-10 штук. После прохождения естественного света через такуюстопу свет становится практически полностью поляризованным, при этомплоскость поляризации света совпадает с плоскостью падения. (Для полученияполяризованного света в стопе Столетова используют проходящий пучок света,4так как интенсивность отраженного света мала по сравнению с интенсивностьюпреломленного пучка света).Другой метод поляризации основан на явлении дихроизма. Припрохождении света через анизотропное вещество, например, кристалл,световой пучок разделяется на две волны (двойное лучепреломление). Каждаяиз этих волн, называемых обыкновенной и необыкновенной, линейнополяризована, причем колебания векторов E в этих волнах происходят вовзаимно перпендикулярных плоскостях.Существуют кристаллы, в которых поглощение этих волн оказываетсянеодинаковым.

Различное поглощение веществом обыкновенной инеобыкновенной волны называется дихроизмом. При определенной толщинедихроичного кристалла один из пучков света может быть почти полностьюпоглощен. Выходящий пучок линейно поляризован. Поляризаторы, действиекоторых основано на явлении дихроизма, называются поляроидами.Поляроид представляет собой тонкую пленку, на которую нанесенымелкие, ориентированные параллельно друг другу кристаллики герапатита.Поляризующую пленку помещают между двумя пластинками стекла илипластмассы.Для поляроидов вводится понятие коэффициента пропускания.Коэффициент пропускания – отношение потока излучения, прошедшего черезполяроидную пленку, к падающему на нее потоку.

Наибольший коэффициентпропускания реальных поляроидов достигает 0,97, наименьший – 0,05.Направление в пленке, соответствующее наибольшему коэффициентупропускания, называют направлением пропускания поляроида.Пусть на идеальный поляроид, максимальный коэффициент пропусканиякоторого равен единице, а минимальный нулю, падает нормально пучок плоскополяризованного света, причем плоскость колебаний вектора E составляетугол α с направлением пропускания поляроида (рис. 6).Рис. 65В любой момент времени вектор E можно разложить на двесоставляющие, одна будет параллельна направлению пропускания поляроида(главной оси пропускания), а другая перпендикулярна.Поляроиды неодинаково поглощают составляющие E и E . Различие впоглощении столь велико, что уже при толщине пленки около 0,1 ммсоставляющая E практически полностью поглощается.

Через поляроидпройдет только составляющая E ,E  E cos.Тогда для интенсивности прошедшего поляроид света получим ( I ~ E 2 )I  I пол cos 2  ,(1)где I пол – интенсивность плоско поляризованного света, упавшего наполяроид.Соотношение (1) называют законом Малюса.Поляроиды обладают рядом преимуществ перед другими поляризаторами:с их помощью можно получить поляризованный пучок большого диаметра;малая толщина пленки позволяет устанавливать её в любом месте оптическойсистемы; поляроиды пропускают свет в широком диапазоне длин волн.Пусть на поляроид падает естественный свет, в котором колебания вектораE в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны,происходят во всевозможных направлениях. Эти направления изменяются вовремени случайным образом, то есть можно говорить об осевой симметрииколебаний вектора E .В любой момент времени все вектора E в плоскости, перпендикулярнойнаправлению распространения волны, можно разложить на две составляющие,одна будет параллельна направлению пропускания поляроида (главной осипропускания) E , а другая перпендикулярна E (рис.

7).6Рис. 7Для естественного света E = E , если это равенство не выполняется, тосвет является частично поляризованным. Интенсивности, соответствующиеортогональным составляющим вектора E одинаковы и равны половине общейинтенсивности.Пусть Iест – интенсивность света, падающего на поляроид, I0 –интенсивность света, прошедшего через поляроид, тогдаI0 I ест2 .Любой прибор, позволяющий из естественного света получатьполяризованный, называется поляризатором (стопа Столетова, кристаллтурмалина, поляроид, призма Николя и др.).