№ 85 (Лабы по оптике)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛомоносоваФизический факультеткафедра общей физики и физики конденсированного состоянияМетодическая разработкапо общему физическому практикумуТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ К ЗАДАЧАМ НАПОЛЯРИЗАЦИЮ СВЕТАДоцент Пустовалов Г.Е. , доцент Свирина Е.П.Лаб. работа№ 85ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЯВЛЕНИЙПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТАРаботу поставил доцент Авксентьев Ю.И.Москва - 2012ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ1. Понятие о поляризации света и двойное лучепреломление вкристаллахСветовые волны.

Из теории электромагнитных явлений, разработаннойМаксвеллом во второй половине XIX столетия, следует, что свет представляетсобой электромагнитные волны. От радиоволн световые волны отличаются лишьдлиной волны: первые имеют длину волны от нескольких сантиметров донескольких километров, вторые - 104  105 см .Электромагнитные волны представляют собой распространяющиеся впространстве изменения напряжённости электрического и магнитного полей,связанных между собой.Электромагнитные волны, а, следовательно, и световые волны, являютсяпоперечными. В них векторы напряжённостей электрического поля Е имагнитного поля Н перпендикулярны направлению распространения волны (т.е.вектору скорости v ), а также перпендикулярны друг другу.

Явленияинтерференции и дифракции света объясняются тем, что свет обладаетволновыми свойствами. Однако для объяснения этих явлений безразлично,являются ли световые волны поперечными или продольными. В то же время,такое оптическое явление, как поляризация света, может быть понято лишьпри помощи представления о свете как о поперечных электромагнитных волнах.На рис. 1 изображено распределение в пространстве напряжённостейэлектрического и магнитного полей в некоторый фиксированный момент времениРис. 1в частном случае так называемой плоской монохроматической волны.

Втакой волне во всех точках, которые лежат на любой плоскости,перпендикулярнойнаправлениюраспространенияволны,значениянапряжённости электрического поля так же, как и значения напряжённостимагнитного поля, одинаковы и имеют одно и то же направление. При этом, какпоказано на рис. 2, значения напряжённостей электрического и магнитного полейв зависимости от расстояния вдоль направления распространения волны3меняются по закону синуса. С другой стороны, в каждой точке пространствазначения напряжённостей с течением времени также изменяются (колеблются) позакону синуса.Рис. 2Электрический и магнитный векторы1 в бегущей электромагнитной волнеколеблются в одинаковой фазе, т.е. достигают максимальных значений вданной точке пространства в один и тот же момент времени и образуют снаправлением распространения волны правовинтовую систему.

Это значит,что если расположить ручку буравчика в плоскости, где лежат векторы Е и Н , авинт буравчикаперпендикулярноэтой плоскости, и вращать ручку буравчика отвектора Е к вектору Н , то поступательное движение винта определитнаправление скорости v распространения волны (рис. 2).Естественный иполяризованный свет.Свет,испускаемыйбольшинством источниковсвета,например,раскалённымитвёрдымителами, непосредственно необнаруживаеттакихсвойств, которые выявилибы поперечный характерегоколебаний.Поперечностьсветовыхколебанийудаётсяобнаружить лишь послепропускания света черезнекоторыекристаллы,например,пластинкутурмалина.Рассмотрим следующий опыт.Рис.

31В оптике вместо «векторы напряжённости электрического и магнитного полей» для краткости принято говорить«электрический и магнитный векторы».4Вырежем из кристалла турмалина пластинку Т1 (рис. 3), плоскость которойбудет параллельна одному из определённыхнаправлений ОО'кристаллической решётки, называемому оптической осью2.

Пусть на пластинкуперпендикулярно её поверхности падает свет от источника света S . Вращаякристалл вокруг направления луча, мы не заметим изменений в интенсивностисвета. Однако, если на пути луча поставить ещё и вторую аналогичную пластинкутурмалина Т 2 , расположенную параллельно первой, то явление осложняется. Взависимости от того, как ориентированы друг относительно друга обе пластинки,меняется интенсивность проходящего через них света. Интенсивностьоказывается наибольшей, если оптические оси обеих пластинок параллельны(рис. 3, а).

Интенсивность света равна нулю, т.е. свет совсем не проходит, еслиоптические оси пластинок взаимно перпендикулярны (рис. 3, б).Наблюдаемые явления могут быть объяснены, если предположить, что, вопервых, световые волны поперечны и, во-вторых, в падающем свете нетпреимущественного направления колебаний в плоскости, перпендикулярнойнаправлению распространения света. Допустим, что турмалин пропускает лишьсоставляющую электрического вектора электромагнитной волны, направленнуювдоль оптической оси кристалла.

Следовательно, при падении на кристаллтурмалина света со всевозможными ориентировками электрического векторасквозь кристалл пройдёт лишь часть света, так что за кристаллом окажутся волны,направление электрического вектора которых будет параллельно оси кристалла(рис. 3, а и б).Кристалл,таким образом, выделяет из света со всевозможнымиориентировками Е в плоскости, перпендикулярной направлению луча,ту часть,которая соответствует одному определённому направлению Е . Будемвдальнейшем называть свет со всевозможными ориентировками вектора Е (аследовательно, и Н ) естественным светом, а свет, в котором вектор Е (аследовательно,иимеетодноединственноенаправление,Н)плоскополяризованным, или линейнополяризованным.

В частности,изображённые на рис. 1 и 2 электромагнитные волны являютсяплоскополяризованными. Таким образом, первый турмалин превращаетестественный свет в линейнополяризованный. До второго турмалина доходит ужеполяризованный свет. В зависимости от ориентировки второго турмалина из этогополяризованного света пропускаетсябольшая или меньшая часть, а именнота часть, которая соответствуетсоставляющейэлектрическоговектора, параллельной оптической осивторого турмалина.

Плоскость, вкоторой расположен электрическийвектор,называетсяплоскостьюРис. 4колебаний поляризованного света(плоскость I на рис. 2, а плоскость, в2Определение оптической оси кристалла будет дано позднее.5которойрасположенмагнитный вектор – плоскостьюполяризации(плоскость II на рис. 2). В дальнейшем мы будем говорить только оплоскости колебаний, так как в данной электромагнитной волне плоскостьполяризации всегда ей перпендикулярна. Световые волны от реальныхисточников представляют собой результат сложения огромного числа отдельныхнезависимых излучений, каждое из которых является линейнополяризованным иобладает весьма малым временем жизни( ~ 108 сек ). Каждое мгновение в теле,посылающем световые волны, «гаснут» и«зажигаются» миллиарды новых атомов.Поэтому в любой момент времени в пучкеРис.

5света найдётся множество световых волн,плоскости колебаний которых ориентированысамым различным образом. На рис. 4 представлена схема расположенияплоскостей колебаний в естественном свете. Прямые, получающиеся припересечении плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, сплоскостями колебаний для естественного (а), линейнополяризованного (б) ичастично поляризованого света (в), показаны на рис.

5 (векторами обозначенынаправления напряжённости электрического поля). Частично поляризованныйсвет характеризуется тем, что одно из направлений электрического вектораявляется преимущественным, но не исключительным. Частично поляризованныйсвет можно рассматривать как смесь естественного и поляризованного света.Двойное лучепреломление. Некоторые прозрачные кристаллы в силуих анизотропности, т.е. способности по-разному пропускать световыеколебания вдоль различных направлений кристаллической решётки, превращаютестественный свет в линейнополяризованный.

Это явление связано с двойнымлучепреломлением,аименно:если,например, на кристалл исландского шпата(разновидность углекислого кальция СаСО3 )направить узкий пучок естественного света, тоиз кристалла выйдут два пучка света. В случаедостаточно толстого кристалла и достаточноузкого пучка падающего света выходящие изРис. 6кристалла пучки будут пространственноразделены (рис. 6). Один из лучей подчиняетсяобычным законам геометрической оптики при отражении и преломлении его награнях кристалла. Он получил название обыкновенного луча и обозначаетсяобычно буквой О .

Другой же луч отклоняется от своего первоначальногонаправления даже в случае перпендикулярного его падения на грань кристалла.Он называется необыкновенным и обозначается буквой е .Исследование обыкновенного и необыкновенного лучей показало, что ониполяризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях и по-разномупреломляются в кристалле.

Однако в анизотропных кристаллах существуют одноили два таких направлений, вдоль которых лучи не раздваиваются. Эти6направления называют оптическими осями кристалла. В дальнейшем будемрассматривать только одноосные кристаллы (случай двуосных кристаллов болеесложен)3. Исландский шпат является одноосным кристаллом. В нём направлениемоптической оси является направление наименьшей пространственной диагонали(диагональ OO' на рис. 6) элементарной кристаллической ячейки (ромбоэдра).Любая плоскость, проведённая через оптическую ось, называется главнымсечением, или главной плоскостью кристалла. Приразборе явлений, связанных с прохождением световоголуча внутри кристалла, за главную плоскость принимаютплоскость, в которой лежат этот луч и оптическая оськристалла.Колебаниявекторанапряжённостиэлектрического поля обыкновенного луча происходятперпендикулярно главной плоскости, а колебания векторанапряжённости электрического поля необыкновенноголуча – в главной плоскости.На рис.

7 изображен случай перпендикулярногопадения света на пластинку кристалла, вырезанную подРис. 7некоторым углом к оптической оси, направление которойпоказано пунктиром. Плоскость чертежа на этом рисункепредставляет собой одну из главных плоскостей. Направления векторовнапряженности электрического поля обыкновенного луча (перпендикулярноеглавной плоскости) и необыкновенного луча (параллельное главной плоскости)обозначены соответственно точками и черточками. В падающем лучеестественного света присутствуют колебания со всевозможными направлениямивекторов напряженности электрического поля, в том числе, и с параллельными, ис перпендикулярными плоскости чертежа. На чертеже это обозначено ичерточками и точками одновременно.Показатели преломления и скорости распространенияобыкновенного и необыкновенного лучей.