физика. Змаев Дмитрий физика 2. Эксперименты по поляризации света начиная с Х. Гюйгенса
 Скачать 44.18 Kb.
|
|
Эксперименты по поляризации света — начиная с Х. Гюйгенса Несмотря на то, что открытие двулучепреломления принадлежит Эразму Бартолину (1669), первое представление о поляризации было введено Христианом Гюйгенсом в 1690 году в его «Трактате о свете». Гюйгенс предположившил, что внутри кристалла могут распространяться световые волны различной скорости, в результате чего и наблюдается двойное лучепреломление. Тем не менее, можно было предположить, что свойство, различающее лучи, распространяющиеся с различными скоростями — обыкновенный и необыкновенный — присуще кристаллу, но не свету. Христиан Гюйгенс пошел дальше Эразма Бартолина в изучении кристаллов исландского шпата. Введя понятие об оптической оси кристалла (которое существует и по сей день), он стал изучать прохождение света через пару кристаллов в зависимости от угла между их оптическими осями. Оказалось, что, если взять два кристалла исландского шпата с сонаправленными осями и параллельными гранями и пропустить через них нормально падающий пучок света, то после разделения на два пучка из-за двойного лучепреломления в первом кристалле, эти отдельные пучки уже не испытывают двойного лучепреломления во втором. Это говорило о фундаментальном отличии лучей на выходе из двулучепреломляющего кристалла от падаюшего луча. Еще более интересная картина наблюдалась при повороте второго кристалла относительно первого: каждый из разделенных лучей снова начинал испытывать двойное лучепреломление на входе во него. Это отметало в сторону возможное объяснение двулучепреломления наличием двух независимых сортов световых частиц (или волн), соответствующих одному цвету: опыт показывал, что эти сорта переходили друг в друга при пространственном повороте . Следующий вклад в изучение поляризации был сделан в 1808–1812 годах Этьеном Луи Малюсом (1775–1812) и Дэвидом Брюстером (1781–1868), которые обнаружили и исследовали поляризацию света, отраженного от диэлектриков. Оказалось, что даже свет, отраженный от аморфного стекла, не обладающего двулучепреломляющими свойствами, является частично (а при определенном угле падения — полностью) поляризованным. Первыми учеными, предложившими концепцию поперечных волн, были Томас Юнг (1773–1829) и Огюстен Жан Френель (1788–1827) — каждый из них деликатно приписывал приоритет открытия другому. Френель обнаружил удивительное явление: волны, поляризованные перпендикулярно друг другу, не интерферируют! Это никак не укладывалось в его теорию, восходящую к волновой теории Гюйгенса, поскольку говорило, что в эфире распространяются два независимых колебания. Эфир считался подобным жидкости (более того, сам Френель являлся автором теории частичного увлечения эфира движущимися телами), но, как известно, в жидкости распространяются только продольные колебания! Это связано с тем, что жидкости не сохраняют свою форму — поэтому в них отсутствуют поперечные (сдвиговые) упругие напряжения. Существование поперечных упругих волн в эфире приводило к парадоксальному выводу: эфир твердый! В современной физике существование двух световых поляризаций связывают с наличием у кванта света, фотона, внутренней характеристики — спина. Эта характеристика в некотором смысле слова определяет вращение движущегося фотона вокруг своей оси, за исключением двух существенных отличий. Первое из них происходит из квантовой физики и говорит о том, что спина на произвольную ось не может превышать единицы по модулю (в единицах постоянной Планка  ). Второе же свойство связано с теорией относительности: поскольку фотон движется со скоростью света, одна из его пространственных осей для наблюдателя сжимается до нуля (см. лоренцево сокращение длины), в результате спин не может иметь нулевую проекцию на направление движения фотона. Остаются две возможных проекции (спиральности):  и  — и именно они отвечают за две возможных поляризации электромагнитных волн.Наблюдение поляризации отраженного света Малюсом и Брюстером Этьен Луи Малюс (1775–1812) занимался исследованиями двулучепреломления света в кристаллах исландского шпата, известного еще со времен Эразма Бартолина (1669). Однажды, наблюдая из окна своего дома в Париже лучи заходящего солнца, отраженные в окнах Люксембургского собора, он заметил, что после прохождения через кристалл исландского шпата эти лучи существенно теряют свою интенсивность. Яркость других предметов не менялась при прохождении через исландский шпат — предметы только раздваивались из-за двойного лучепреломления. Довольно долго занимавшийся изучением поляризации света Малюс сразу же сделал вывод о том, что свет, отраженный от окон собора, является (частично) поляризованным. Действительно, яркость отраженного от окон собора света изменялась при изменении ориентации кристалла исландского шпата, как наблюдал еще Гюйгенс в своих опытах по поляризации. Явление поляризации света при отражении свойственно только диэлектрическим отражающим поверхностям — стеклу, воде, различным пластмассам и др. — но не свойственно проводникам. В частности, свет, отраженный от металлического зеркального слоя, сохраняет свою поляризацию. Устройство николя предельно просто: две прямоугольные призмы из исландского шпата с оптической осью AB, склеены своими катетами с помощью канадского бальзама, имеющего показатель преломления больше, чем у исландского шпата. Угловые параметры николя подбираются таким образом, что после двулучепреломления обыкновенный луч (красный на рисунке выше) испытывает полное внутреннее отражение от границы «шпат-канадский бальзам». Необыкновенный луч, составляющий с этой границей больший угол, проходит в слой бальзама, а из него — во вторую призму. В итоге для необыкновенного луча с поляризацией в плоскости рисунка николь выглядит как плоскопараллельная пластина, а для луча, поляризованного перпендикулярно этой плоскости — как зеркало. Квадрат косинуса, входящий в закон Малюса, говорит о том, что интенсивность света не является вектором: ее нельзя получить, проецируя некоторый вектор на плоскость поляризатора. В этом случае косинус был бы в первой степени. Действительно, интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды колебаний, а амплитуда поперечных колебаний является вектором. Здесь, однако, надо отметить, что сам Малюс твердо стоял на позициях ньютоновской корпускулярной теории, поэтому так не рассуждал. Закон Малюса также демонстрирует некоторую «конверсию» различных состояний поляризации друг в друга: несмотря на то, что состояний линейной поляризации может быть бесконечное множество при наблюдении через поляризатор все эти состояния сводятся к двум независимым — параллельно и перпендикулярно оси поляризатора. Второе фундаментальное открытие Малюса заключалось в том, что если свет падает под определенным углом к диэлектрику, то отраженный свет оказывается полностью поляризованным перпендикулярно плоскости падения. Он измерял данный угол для различных веществ и по началу пришел к ошибочному выводу, что угол поляризации не зависит от вещества Преломленный луч содержит обе поляризации, хотя оказывается частично поляризованным. Важно также, что закон Брюстера справедлив и для отражения от аморфных тел, таких как стекло, а также от жидкостей. Явление поляризующего отражения широко используется в оптике, когда необходимо избежать потерь интенсивности на входе света в прозрачный диэлектрик. В этом случае свет, поляризованный в плоскости падения, направляется на границу раздела под углом Брюстера — при этом отраженный луч вообще отсутствует. Также эффекты поляризации отраженного света, открытые Малюсом и Брюстером, используются в фотографии: если надеть на объектив поляризационный фильтр, то, поворачивая его различным образом, можно контролировать наличие бликов на фотоснимке. Ниже представлены два примера: слева — фотография без фильтра, справа — с его использованием. 3.Открытие эффекта вращения поляризации света в намагниченной среде М. Фарадеем Как мы убедились из предыдущих вопросов, нетривиальные проявления света имеют место в анизотропных средах, либо при несимметричном падении света на границу раздела. Майкл Фарадей (1791–1867) обнаружил, что эта анизотропия может быть наведена и внешним магнитным полем. Эффект, ныне называемый продольным магнитооптическим эффектом Фарадея (или просто эффектом Фарадея), заключается во вращении поляризации света в диэлектрике, помещенном в однородное магнитное поле. Плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается на угол, пропорциональный пройденному лучом расстоянию. Данный эффект был открыт Фарадеем в 1845 году и впоследствии объяснен Френелем. С современной, квантовой точки зрения эффект Фарадея объясняется на основе эффекта Зеемана — расщепления энергетического спектра электрона во внешнем магнитном поле по квантовому числу, определяющему проекцию его момента импульса на направление поля. Это приводит к тому, что световая волна обменивается с веществом право- и левополяризованными фотонами с разной интенсивностью, поэтому насыщается фотонами одной из этих поляризаций. Последнее и проявляется в явлении вращения поляризации. Эффект Фарадея используется в магнитооптических запоминающих устройствах, линиях передачи информации, а также на его основе пытаются создать оптические транзисторы — приборы, в которых лучи света управляют другими лучами света. Из таких элементов предполагается строить оптические компьютеры, которые должны обладать скоростью, на порядки превышающей скорости современных, «электрических» компьютеров. Для сравнения достаточно представить, что частота видимого света на 5–6 порядков величины превышает тактовые частоты современных процессоров. Важно отметить, что эффект, открытый Майклом Фарадеем, был одним из первых эффектов, говоривших о взаимосвязи магнитного поля и света. Он был одним из первых аргументов в пользу гипотезы электромагнитной природы света. Опыты Лебедева по световому давлению В опытах Петра Николаевича Лебедева (1866–1912) исследовалось давление, оказываемое светом на тела. Гипотеза о существовании этого давления высказывалась еще Иоганном Кеплером, чтобы объяснить неизменное направление хвоста комет от Солнца. Максвелл же оценил величину давления света исходя из своей теории электромагнитных волн. После того, как Генрих Герц доказал электромагнитную природу света, оставалось только обнаружить предсказанное Максвеллом давление.
Получив удовлетворительные результаты при изучении давления света на твердые тела, Лебедев в 1907–1910 годах поставил более точные опыты по измерению давления света на газы. В этих опытах также было получено приемлемое согласие с теорией Максвелла. Опыт Рёмера — первое свидетельство конечности скорости света и ее измерение Оле (Олаф) Кристенсен Рёмер (1644–1710) — голландский астроном и ученик Эразма Бартолина — переехав в Париж, занялся изучением затмений спутника Юпитера Ио, открытого Галилео Галилеем в 1610 году. Эти затмения представляли интерес для Парижской Академии наук, совсем не связанный с оптикой. Затмения данного спутника был интересны как сигнал, позволявший синхронизировать часы одновременно на всем земном шаре. Необходимость точных часов возникала в связи с задачей определения долготы на море: для этого достаточно взглянуть на звездное небо и зафиксировать время — в точках земли с разной долготой звезды будут сдвинуты по окружностям, параллельным эклиптике, на угол, равный долготе. Ремер получил скорость света в вакууме:  Эта оценка была недостаточно точной из-за того, что не учтено движение Юпитера. Кроме того, во времена Ремера не было точных данных о радиусе орбиты Земли, да и запаздывание затмений составляет 16 минут вместо 22, как считалось тогда. Тем не менее, скорость света была вычислена с точностью до 30 процентов, а главное — доказано, что она не бесконечна! С помощью своей модели Ремер вычислил времена наблюдаемых на Землей затмений на несколько месяцев вперед с точностью до одной секунды. Итак, чисто практическая задача, возникшая в рамках навигации, заставила внести новый физический принцип — конечность скорости распространения света. С новым принципом возникли и новые вопросы: почему эта скорость такая, а не другая, от чего она зависит (если зависит), одинакова ли во всех направлениях, на каких физических явлениях сказывается (например, преломлении)? Изучение этих вопросов продвигало физику до середины двадцатого века и, по сути дела, поступательный импульс еще не иссяк. 6.Опыт Физо по измерению скорости света в наземных условиях Первое наземное измерение скорости света поистине было научным достижением: с учетом прямоты этого измерения (а не через интерференцию, например) и относительной простоты устройства экспериментальной установки, было сделано невозможное. В опыте, проведенном Арманом Ипполитом Луи Физо (1819–1896) в 1849 году, использовалось быстро вращающееся зубчатое колесо К (см. рис. ниже). Свет от источника S, отразившись от полупрозрачной пластины A, пропускался через его зубцы и далее проходил до зеркала З, находившегося на большом расстоянии  , и обратно. Возвратившись назад, свет снова фокусировался и пропускался через зубцы того же колеса. В конце концов, пройдя через полупрозрачную пластину, луч наблюдался через окуляр. Фактически зубчатое колесо работало и в качестве стробоскопа, и в качестве анализирующего фильтра Этот результат уже был ближе к современному значению  . Дальнейшее уточнение результата Физо было получено другим французским физиком, Жаном Леоном Фуко. Этому эксперименту посвящен следующий раздел.Опыт Фуко. Скорость света в диэлектрических средах Жан Бернар Леон Фуко (1819–1868) воплотил в своем эксперименте идею, предлагавшуюся для измерения скорости света еще Домиником Араго (1838). Идея состояла в том, чтобы изучать сдвиг светового луча, отраженного от быстро вращающегося зеркала. Араго заострял внимание на этом опыте в связи с желанием поставить эксперимент, который окончательно разрешил бы спор между корпускулярной теорией света Ньютона и волновой теорией Френеля–Гюйгенса. В первой теории скорость света в веществе должна была быть больше, чем в вакууме, а во второй — наоборот. Схема опыта Фуко 1850 года, которая почти без изменений сохранилась в его же усовершенствованном эксперименте 1862 года.. Даже бросив на нее мимолетный взгляд, можно отметить влияние Физо. Точность в  не позволяла, однако, сделать вывод о наличии или отсутствии влияния на скорость света движения Земли «относительно неподвижного эфира», поскольку ее орбитальная скорость около  . Точность, необходимая для соответствующих выводов, была достигнута в эксперименте Майкельсона–Морли, который уже принадлежит эре теории относительности.Фуко же сделал другое важнейшее измерение: поместив в пространстве между зеркалами  и  резервуар с водой, он измерил скорость света  в ней. Полученное значение было меньше скорости света в вакууме и согласовывалось с волновой теорией света: где  — измеренный из опытов по преломлению света (т.е. вычисленный из закона Снеллиуса) показатель преломления стекла. В рамках корпускулярной теории света показатель преломления должен был быть связан с их скоростью в среде прямо противоположным образом:  , т.е. для стекла и всех известных веществ  . Таким образом, опыт Фуко окончательно утвердил волновую точку зрения на природу света.Изобретение лазера и открытие нелинейно-оптических эффектов
Само изобретение лазера и мазера советскими учеными Николаем Геннадьевичем Басовым (1922–2001), Александром Михайловичем Прохоровым (1916–2002) и американским физиком Чарльзом Хардом Таунсом (род. 1915), за которое все трое были удостоены Нобелевской премии по физике 1964 года, находится скорее в рамках квантовой теории, чем в рамках оптики. Вынужденное излучение — типично квантовый процесс, предсказанный еще Эйнштейном и заключающийся в том, что падение системы, находящейся в возбужденном состоянии  , в основное состояние  резко катализируется внешним электромагнитным полем с частотой  и сопровождается излучением фотона, когерентного фотоном, вызвавшим переход. Тем не менее, то же самое электромагнитное поле стимулирует и обратные переходы, сопровождающиеся поглощением фотона. Поэтому если создать инверсную населенность уровня , чтобы переходы  с поглощением происходили реже излучательных переходов  , мы получим лавинообразное усиление электромагнитной волны резонансной частоты  . Именно этот принцип заложен в основу лазера.Несмотря на то, что «сердцевину» лазера составляет квантовая двухуровневая система с инверсной населенностью, этот прибор является ключевым именно в оптике. Причина тому — высокая интенсивность, когерентность и монохроматичность лазерного излучения. Условия генерации излучения удовлетворяются в узком интервале параметров, что позволяет без линз добиться пучков, обладающих высокой степенью параллельности. Более того, лазер открыл новую область в оптике XX века — нелинейную оптику. В данном случае причиной послужила возможность создания электромагнитных полей высокой напряженности (особенно в импульсном режиме, когда за чрезвычайно малый промежуток времени в виде излучения выделяется большое количество энергии). Этот эффект хорошо известен в радиотехнике и используется для выделения из приходящего от антенны сигнала нужную частоту. Эффект сложения частот используется в оптике для параметрического усиления света и оптическом выпрямлении света — преобразовании колебаний высокой частоты в постоянное электрическое поле. Генерация второй оптической гармоники на нелинейном кристалле была впервые осуществлена П. Франкеном, А. Хиллом, К. Петерсом и Дж. Вайнрихом в 1961 году с использованием рубинового лазера. Из кристалла выходило два луча — с длиной волны  и  — после чего второй из них отделялся с помощью призмы. Франкен, Вайнрайх вместе с М. Басом и Дж. Вордом через год также осуществили экспериментальное выпрямление (ректификацию) лазерного импульса.Среди других эффектов необходимо упомянуть самофокусировку света: в области, где проходит световой пучок, эффективный показатель преломления оказывается больше, чем в окружающем его кристалле, и пучок из-за рефракции стремится уменьшить свое поперечное сечение. Это явление также было предсказано и наблюдалось в 1960-х годах. Многие нелинейные оптические эффекты происходят от электрооптического эффекта Керра, открытого шотландским физиком Джоном Керром (1824–1907) в 1875 году Возможно также наведение двулучепреломления (оптической анизотропии) включением электрического поля. Оказывается, у эффекта Керра практически отсутствует инерция: как только приложено поле, показатель преломления меняется в соответствии с квадратичным законом Керра. Поэтому он справедлив и для быстро меняющихся полей. Для некоторых веществ характерен эффект Поккельса — наведение оптической анизотропии, линейной по созданному электрическому полю. Эффект назван в честь Фридриха Карла Альвина Поккельса (1865–1913), открывшего его в 1893 году. Эффект Поккельса, как и Керра, обладает очень малой инерцией — порядка  .Эффекты Керра и Поккельса является менее высокочастотным аналогом наблюдаемых в современных экспериментах нелинейных оптических эффектов. |