Работа 5. 5. Проверка закона Малюса.

Цель работы: Экспериментальная проверка закона Малюса.

Теоретическое введение

Все прозрачные анизотропные кристаллы обладают способностью двойного лучепреломления, т.е. раздваивания падающего на них светового пучка. В кристалле преломленный пучок разделяется на два: один из них называется обыкновенным лучом(о), а второй –необыкновенным лучом (е). Направление в оптически анизотропном кристалле, по которому луч света распространяется, не испытывая двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла. Плоскость, проходящая через направление луча света и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью. Лучи, вышедшие из кристалла, поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. В обыкновенном луче колебания светового вектора происходят перпендикулярно главной плоскости, в необыкновенном – в главной плоскости (рисунок 5.5.1).

Рисунок 5.5.1 – Двойное лучепреломление

Двойное лучепреломление объясняется особенностями распространения света в анизотропных средах. В этих средах показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей разные. При любом направлении обыкновенного луча колебания светового вектора перпендикулярны оптической оси кристалла, поэтому обыкновенные лучи распространяются по всем направлениям с одинаковой скоростью и, следовательно, показатель преломления для него постоянный. У необыкновенного луча угол между направлением колебаний светового вектора и оптической осью отличен от прямого и зависит от направления луча, поэтому необыкновенные лучи распространяются по различным направлениям с разными скоростями. Следовательно, показатель преломления для необыкновенного луча является переменной величиной, зависящей от направления луча.

Для получения поляризованного света на основании явления двойного лучепреломления наиболее часто применяют поляризационные призмы и поляроиды. Поляроид представляет собой прозрачную тонкую полимерную пленку, в которую вкраплены кристаллики герапатита. Установлено, что такая пленка уже при толщине 0,1мм полностью поглощает обыкновенные лучи видимой области спектра, являясь в таком тонком слое совершенным поляризатором.

Лазерное излучение является поляризованным. Если на пути поляризованного лазерного света поставить поляроидную пленку и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через эту пленку, изменяется в зависимости от угла α между плоскостью поляризации лазерного излучения и оптической осью поляроидной пленки по закону Малюса:

,                                                      (5.1)

  I₀ и I- соответственно интенсивности света, падающего на поляроидную пленку и вышедшего из нее. Следовательно, интенсивность прошедшего через пленку света изменяется от минимума (полное гашение света) при α=90⁰ до максимума при α=0⁰.

Описание установки

Внешний вид экспериментальной установки приведен на рисунке 5.5.2.

Рисунок 5.5.2 - Внешний вид экспериментальной установки

Установка состоит из источника лазерного излучения - 1, оптической скамьи – 2, поляризатора в держателе – 3 с поворотным устройством,  фотоэлемента - 4, цифрового датчика для измерения фототока - 5. Проходя через поляриратор, поляризованный свет изменяет свою интенсивность до величины I, которая связана с I₀ по закону Малюса:

I=I₀cos²α,

где α- угол между плоскостями (или оптическими осями) поляризатора и анализатора.

На установке поляроид А можно вращать относительно поляроида П вокруг направления светового луча, тем самым, изменяя угол α. Интенсивность света J, падающего на фотоэлемент, меняется согласно закону Малюса при изменении угла α и, соответственно, микроамперметр дает разные значения фототока.

Порядок выполнения работы

1. Включить установку в сеть переменного тока.

2.Перед началом работы лазер необходимо разогреть в течение 5-ти минут. Угловое положение поляризатора определяется углом a_k по шкале поляризатора/

3. Поворачивая поляризатор с шагом 10^о между положениями a_k = ± 90º, снять зависимость величины интенсивности I_k (в относительных единицах, по величине напряжения сигнала мультиметра) от угла a_k. Результат записать в таблицу 5.5.1.

Таблица 5.5.1- Таблица опытных данных

ak,град	I,отн.ед.	I/Imax	a0,(соотв. max I)	jk=ak-a0	cos^2jk
90
80
…
-80
-90

4. Выключить установку из сети.

 5. Определить относительные интенсивности вышедшего из поляроида света I/I_max, занести результаты в таблицу 5.5.1.

6. Рассчитать угол j_k=a_k-a₀, занести результаты в таблицу 5.5.1.

7. Определить cos²j_k, занести результаты в таблицу 5.5.1.

  8. Построить график зависимости I/I_max от угла j_k. На этой же координатной плоскости построить график функции cos²j_k. Сравнивая полученные данные, убедиться в справедливости закона Малюса.

Контрольные вопросы

1. Какова природа света?

2. Какой свет называется поляризованным? Чем он отличается от естественного света?

1. Что называют плоскостью колебаний светового луча?
2. Какой свет называется частично поляризованным?
3. Как схематически изображается естественный, поляризованный и частично поляризованный свет?
4. В чем состоит явление двойного лучепреломления и какова его причина?
5. Для чего служат поляроиды?
6. Что называют оптической осью поляризатора?
7. Сформулируйте закон Малюса.