Лабораторная работа № 36. Лабораторная работа 36 Определение степени поляризации частично поляризованного света Преподаватель Нижний Новгород 2023
 Скачать 135 Kb.
|
|
Федеральное агентство морского и речного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волжский государственный университет водного транспорта» Кафедра физики Лабораторная работа № 36 Определение степени поляризации частично поляризованного света Выполнил: Преподаватель: Нижний Новгород 2023 Цель лабораторной работы состоит в получении поляризованного света из естественного света, как подтверждение поперечной структуры электромагнитных волн, и в измерении количественных характеристик поляризации в виде закона Малюса и степени поляризации света. Контрольные вопросы: Вопрос 1. Для каких волн можно ввести понятие поляризации? Что называется плоскостью поляризации электромагнитной волны? Ответ: Все волны по колебанию частиц среды разделяются на продольные и поперечные волны. В продольной волне колебания частиц среды происходят вдоль направления распространения, т.е. наблюдается осевая симметрия направления колебаний. Если колебания частиц в волне происходят перпендикулярно направлению распространения, то такая волна называется поперечной (к ней относится свет) и для такой волны можно говорить о выделенном, несимметричном направлении колебаний. В качестве характеристики асимметрии поперечных волн можно ввести плоскость, образованную направлением колебания вектора электрического поля E (двусторонние стрелки на рис. 1) и направлением распространения. В настоящее время эта плоскость называется плоскостью поляризации, тогда как ранее она называлась плоскостью колебаний.
Рисунок 1. Плоскость поляризации электромагнитной волны Вопрос 2. Классификация света по поляризации. Что называется поляризацией света? Ответ: По поляризации свет можно разделить на три вида. 1. Линейно поляризованный или плоско поляризованный свет. Это такой свет, у которого электрические колебания вектора E совершаются только в одной плоскости (вертикальной, горизонтальной или любой другой). В качестве примера такой волны можно привести свет, излученный отдельным атомом за время его излучения. На рис. 2 приведен схематический вид линейно поляризованного света, который распространяется со скоростью v перпендикулярно плоскости листа в направлении от наблюдателя. Из анализа рис. 2 следует, что существует только одна плоскость колебаний вектора напряженности E электрического поля. В данном случае это вертикальная плоскость.
2. Реальный источник света состоит из множества возбужденных атомов, излучающих световые волны со всевозможными ориентациями плоскости колебаний вектора E. Эти волны налагаются друг на друга, в результате чего любому лучу, исходящему из такого источника света, будет соответствовать множество случайно ориентированных плоскостей колебаний электрического вектора E. Такой свет называется естественным, или неполяризованным. Обычно интенсивность излучения каждого из атомов в среднем одинакова, поэтому у такого света амплитудные значения вектора E одинаковы во всех плоскостях колебаний. Схематичная картина естественного света приведена на рис. 3. Как и для рис. 2, свет распространяется перпендикулярно плоскости листа в направлении от наблюдателя.
3. В ряде случаев амплитудные значения вектора E оказываются неодинаковыми для различных плоскостей колебаний: тогда такой свет называется частично поляризованным. На рис 4 изображена частично поляризованная волна, распространяющаяся от наблюдателя перпендикулярно плоскости листа.
Таким образом, из сравнения рис. 2–4 следует, что частично поляризованный свет занимает промежуточное положение между линейно поляризованным и естественным светом, другими словами, этот свет представляет сумму линейно поляризованного и естественного света. Кроме того, линейно поляризованный свет, характеризуясь одной плоскостью колебаний вектора Е, принципиально отличается от естественного и частично поляризованного света. Вопрос 3. Два метода поляризации света. Ответ: Свет Солнца, ламп освещения является неполяризованным. В ряде практических задач требуется иметь поляризованный свет. Для преобразования естественного света в поляризованный свет необходимо создать условия, при которых колебания вектора напряженности электрического поля E должны происходить только в одной плоскости. Выделение линейно поляризованного света из естественного или частично поляризованного света называется поляризацией света, а соответствующие устройства называются поляризаторами. Существует два способа формирования линейно поляризованного света из неполяризованного. Первый метод основан на явлениях двойного лучепреломления света в анизотропных кристаллах и дихроизма. К анизотропным кристаллам относятся кальцит (исландский шпат), турмалин, кварц и т.п. Второй метод поляризации света возникает при отражении и преломлении света на границах раздела двух диэлектрических сред. Вопрос 4. Принцип действия анизотропного кристалла при поляризации света. Явление дихроизма. Ответ: Кристалл называется анизотропным, если его свойства и характеристики зависят от направления, при этом, в частности, может изменяться абсолютный показатель преломления, а значит скорость распространения электромагнитных волн. Заметим, что в анизотропном кристалле существует направление симметрии, называемое оптической осью, в котором анизотропия вещества отсутствует. Если направить луч света вдоль оптической оси, то никаких изменений в волне не произойдет благодаря полной симметрии структуры вещества относительно этого направления. Для анизотропных кристаллов вводят главную плоскость, которая проходит через световой луч и оптическую ось. Если направить луч света на кристалл под углом к оптической оси, то будет наблюдаться явление двойного лучепреломления, которое заключается в том, что падающий свет при преломлении расщепляется на два луча: обыкновенный и необыкновенный. Показатель преломления для обыкновенного луча не зависит от угла падения, а для необыкновенного луча – зависит, а это означает, что для разных углов падения необыкновенный луч имеет различную скорость распространения. Даже при перпендикулярном падении света на такой кристалл необыкновенный луч может отклоняться от перпендикуляра к поверхности. Особенностями этих двух волн (лучей) является то, что они представляют собой линейно поляризованные волны и колебания вектора электрического поля Е в обыкновенном луче происходят перпендикулярно к колебаниям Е необыкновенного луча. На рис. 5 кружками отмечены колебания вектора E в обыкновенном луче, а двусторонними стрелками – колебания вектора Е в необыкновенном луче.
Рис. 5. Прохождение естественного света через анизотропный кристалл Таким образом, в кристалле образуются две линейно поляризованные волны Если выходящие из кристалла оба луча наложить друг на друга, то теоретически должен возникать естественный свет – никаких преобразований с ним не произошло. Для того, чтобы на выходе из анизотропного кристалла вышел линейно поляризованный свет, необходимо один из лучей погасить. Дихроизм кристаллов Существуют анизотропные кристаллы, в которых коэффициенты поглощения обыкновенных и необыкновенных лучей существенно различаются. Это явление называется дихроизмом, или анизотропией поглощения. Так, в кристалле турмалина обыкновенный луч поглощается на длине миллиметра и, следовательно, из пластины выйдет только линейно поляризованный необыкновенный луч. Второй способ устранения одного из лучей заключается в направлении этого луча на зачерненную сторону кристалла, где он полностью поглощается. Такие анизотропные кристаллы с указанными свойствами называются поляроидами. Вопрос 5. Как происходит поляризация света на границе раздела двух диэлектрических сред. Ответ: Второй способ поляризации света возникает при отражении и преломлении света на границах раздела двух диэлектрических сред, характеризующихся абсолютными показателями преломления n1 и n2, при условии, что угол падения естественного света не равен нулю. Решение граничной задачи электродинамики показывает, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, а в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения (рис. 6).
На рис. 6 кружками и двусторонними стрелками обозначены направления колебания электрического вектора E в падающей, отраженной и преломленной волнах, проходящих в двух диэлектрических средах. Степень поляризации света зависит от угла падения. При угле падения iБр, удовлетворяющем условию
отраженный луч полностью поляризован. Соотношение (4) называется законом Брюстера, а угол iБр – углом Брюстера, или углом полной поляризации. В формуле (4) n1 и n2 соответственно представляют собой абсолютные показатели преломления первой и второй среды, n21 – это относительный показатель преломления сред. Преломленный луч при указанном угле падения поляризован только частично. Можно показать, что при падении света под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны, т.е. угол между этими лучами равен 90 градусов. Действительно, используя формулу для преломления света из одной среды в другую:
и решая совместно соотношения (4) и (5), можно получить решение
Учитывая, что при отражении света выполняется условие: угол падения равен углу отражения (iБр = β), окончательно получаем
Для увеличения степени поляризации преломленного луча используют не одну, а несколько пластин, называемых стопой пластин. Вопрос 6. Характеристики поляризации света: закон Малюса, степень поляризации света. Ответ: Рассмотрим некоторые количественные параметры, характеризующие поляризацию света. Пусть естественный свет прошел через поляризатор П и стал линейно поляризованным или частично поляризованным светом. Для числовой оценки величины его поляризации пропустим этот свет еще раз через поляризатор, который называется уже анализатором А. Будем вращать анализатор относительно неподвижного поляризатора и измерять величину интенсивности света на выходе анализатора в зависимости от угла его поворота (рис. 7).  Рис. 7. Схема для проверки степени поляризации света Если на выходе поляризатора создается линейно поляризованный свет и плоскость колебания вектора Е совпадают с главной плоскостью анализатора, то свет полностью пройдет через анализатор и интенсивность прошедшего света будет максимальной. Если угол между указанными плоскостями равен 90°, то свет не пройдет через анализатор и его интенсивность будет равна нулю (см. рис. 2). Для частично поляризованного света величина интенсивности света при вращении главной плоскости анализатора в интервале углов от нуля до 90 градусов будет изменяться от максимального значения до какого-то минимального, но не равного нулю значения (см. рис. 3). Формула, показывающая интенсивность проходящей через анализатор волны и интенсивность падающей на анализатор поляризованной волны, в зависимости от угла поворота главной плоскости описывается законом Малюса.
где Iпад – интенсивности падающей на анализатор волны; Iпрох – интенсивность волны, проходящей волны через анализатор; α – угол между направлением вектора E и главной плоскости анализатора. Эта формула справедлива как для линейно поляризованного, так и частично поляризованного света. На рис. 8 в качестве примера представлен график изменения интенсивности проходящего света, когда на вход анализатора падает частично поляризованный свет. Для линейно поляризованного света отличие в поведении кривой на графике будет заключаться в том, что Iмин = 0.  Рис. 8. Изменение интенсивности проходящего через анализатор света от угла поворота для частично поляризованного света Другой количественной характеристикой поляризации света является степень поляризации. Эта характеристика позволяет количественно оценить вид света, а именно: является ли он неполяризованным, линейно поляризованным или частично поляризованным светом Соответствующая формула для расчета степени поляризации света имеет вид:
где Iмакс – максимальное значение интенсивности света; Iмин – минимальное значение интенсивности света. Очевидно, что для линейно поляризованного света Q = 1, так как Iмин = 0 (см. рис. 4), а для неполяризованного света Q = 0, так как Iмин = Iмакс (см. рис. 6), для частично поляризованного света величина Q изменяется в пределах от 0 до 1 (см. рис. 5). |
,
,
.
.
,
,