Получение и исследование поляризованного света

 

  Цель работы: ознакомиться с методами получения линейно-поляризованного света и некоторыми его свойствами, проверить закон Малюса, определить угол Брюстера и показатель преломления вещества.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Свет представляет собой электромагнитные волны. Как известно, плоская электромагнитная волна является поперечной: вектор напряжённости электрического поля и вектор напряженности магнитного поля  (или вектор индукции магнитного поля ) взаимно перпендикулярны и располагаются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (лучу). Химическое и биологическое действие света связано с вектором , поэтому вектор напряжённости электрического поля называют световым.

Естественный свет представляет собой совокупность волн, излучаемых независимо друг от друга множеством атомов и молекул, с разными фазами и с различными равновероятными направлениями вектора . При некоторых условиях возможно получить такое поведение вектора , когда, за период колебаний конец этого вектора описывает замкнутую линию - эллипс, круг или прямую. Такой свет называется поляризованным, а упорядочение колебаний светового вектора каким либо образом называется поляризацией света. В зависимости от того, какую линию описывает конец вектора , различают эллиптически, по кругу и линейно (плоско)-поляризованный свет.

Глаз не отличает естественный свет от поляризованного, но имеется целый ряд явлений, свойственных только поляризованному свету, благодаря которым он и обнаруживается. Источниками линейно-поляризованного света являются лазеры. Получение поляризованного света из естественного возможно при разнообразных физических эффектах: прохождении света через анизотропные среды, отражении от

поверхности диэлектриков в др. Устройства для получения поляризованного света называют поляризаторами. Плоскость колебаний электрического вектора  в волне, прошедшей через поляризатор, называется плоскостью поляризатора.

Степень поляризации Р света, прошедшего через поляризатор, определяется соотношением:

                                                                         (1)

где ,  - минимальная и максимальная интенсивность света.

 

Рис. 1. Определение угла j между плоскостью колебаний падаю-

     щей волны и плоскостью главного сечения поляризатора.

 

Всякий поляризатор может быть использован для исследования поляризованного света, т.е. в качестве анализатора. Пусть на анализатор падает линейно-поляризованная волна с амплитудой напряжённости электрического поля , а плоскость колебаний этой волны образует с плоскостью главного сечения поляризатора угол j (рис. 1).

Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды напряжённости электрического поля: . В световой волне на выходе анализатора амплитуда напряжённости электрического поля равна , а интенсивность света:

                                                                             (2)

Соотношение (2) выражает закон Малюса: интенсивность плоско поляризованного света, вышедшего из анализатора, равна произведению интенсивности плоско поляризованного света, падающего на анализатор  на квадрат  косинуса  угла между  плоскостями поляриза-

ции поляризатора и анализатора.

 

 

Способы получения плоскополяризованного света:

1. Отражение света от поверхности диэлектрика. Отражённый от диэлектрика свет всегда частично поляризован. Степень поляризации отражённого луча зависит от относительного показателя преломления  и от угла падения a. При падении луча естественного света () на плоскость под некоторым углом, называемым углом Брюстера , отражённый луч  полностью поляризован, а преломлённый - частично поляризован. Соотношение

                                                                                    (3)

отражает закон Брюстера. Плоскость колебаний вектора  в отражённом свете перпендикулярна плоскости падения.

Существование угла Брюстера легко понять, если учесть, что отражённая волна - результат излучения электромагнитных волн электронами среды, совершающими колебания под действием преломлённой волны. В случае ортогональности отражённой и преломлённой волн колебания электронов, возбуждаемые компонентой , совпадают по направлению с отражённой волной и их излучение не даст вклада в её интенсивность. В результате в отражённой волне отсутствует компонента  (рис. 2).

Если на диэлектрик под углом Брюстера падает плоскополяризованный свет, у которого вектор  лежит в плоскости падения, то отраженный луч будет отсутствовать (рис. 3). Именно это свойство используется в данной работе.

 

 

Рис. 2. Отраженный луч полностью поляризован

 

 

 

Рис. 3. Отсутствие отраженного луча.

 

2. Преломление света в стопе стеклянных пластин. Для увеличения степени поляризации проходящего света используют стопу стеклянных пластин, расположенных под углом Брюстера к падающему свету. В этом случае можно получить практически полностью поляризованный свет.

3. Двойное лучепреломление.

Некоторые кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления. Преломляясь в таком кристалле, световой луч разделяется на два линейно-поляризованных луча со взаимно перпендикулярными направлениями колебаний. Один из лучей называется обыкновенным (о), второй - необыкновенным (е). Обыкновенный луч подчиняется закону преломления, а необыкновенный - нет. Отклоняя один из лучей в сторону, можно получить на выходе линейно-поляризованный свет (на этом принципе работает призма Николя).

4. Поляроиды.

В некоторых кристаллах (турмалин) одна из преломленных волн поглощается больше чем другая (явление дихроизма). Это явление положено в основу действия поляроидов, одного из видов поляризаторов. Поляроиды представляют собой обычно тонкие целлулоидные пленки с введенными в них одинаковым образом ориентированными кристалликами сульфата йодистого хинина (герапатит). Пленка защищена от механических повреждений и действия влаги пластинками из стекла.