Полиризция света. Полиризация света. Лекция 13. Поляризация света
 Скачать 256.67 Kb.
|
Лекция №13. Поляризация света.В начале XIX века, когда Т. Юнг и О. Френель развивали волновую теорию света, природа световых волн была неизвестна. На первом этапе предполагалось, что свет представляет собой продольные волны, распространяющиеся в некоторой гипотетической среде – эфире. При изучении явлений интерференции и дифракции вопрос о том, являются ли световые волны продольными или поперечными, имел второстепенное значение. В то время казалось невероятным, что свет – это поперечные волны, так как по аналогии с механическими волнами пришлось бы предполагать, что эфир – это твердое тело (поперечные механические волны не могут распространяться в газообразной или жидкой среде). Однако, постепенно накапливались экспериментальные факты, свидетельствующие в пользу поперечности световых волн. Еще в конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата (CaCO3) раздваивает проходящие через него лучи. Это явление получило название двойного лучепреломления.
Иллюстрация к закону Малюса Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2 φ: I cos2 φ. Ни двойное лучепреломление, ни закон Малюса не могут найти объяснение в рамках теории продольных волн. Для продольных волн направление распространения луча является осью симметрии. В продольной волне все направления в плоскости, перпендикулярной лучу, равноправны. В поперечной волне (например, в волне, бегущей по резиновому жгуту) направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны.
Таким образом, асимметрия относительно направления распространения (луча) является решающим признаком, который отличает поперечную волну от продольной. Впервые догадку о поперечности световых волн высказал в 1816 г. Т. Юнг. Френель, независимо от Юнга, также выдвинул концепцию поперечности световых волн, обосновал ее многочисленными экспериментами и создал теорию двойного лучепреломления света в кристаллах. В середине 60-х годов XIX века на основании совпадения известного значения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн Максвелл сделал вывод о том, что свет – это электромагнитные волны. К тому времени поперечность световых волн уже была доказано экспериментально. Поэтому Максвелл справедливо полагал, что поперечность электромагнитных волн является еще одним важнейшим доказательством электромагнитной природы света. Электромагнитная теория света приобрела должную стройность, поскольку исчезла необходимость введения особой среды распространения волн – эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело. В электромагнитной волне вектора и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Во всех процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет электрический вектор поэтому его называют световым вектором. Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, такую волну называют линейно поляризованной или плоско поляризованной (термин поляризация волн был введен Малюсом применительно к поперечным механическим волнам). Плоскость, в которой колеблется световой вектор называется плоскостью колебаний, а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор – плоскостью поляризации. Если вдоль одного и того же направления распространяются две монохроматические волны, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, то в результате их сложения в общем случае возникает эллиптически поляризованная волна. В эллиптически поляризованной волне в любой плоскости P, перпендикулярной направлению распространения волны, конец результирующего вектора за один период светового колебания обегает эллипс, который называется эллипсом поляризации. Форма и размер эллипса поляризации определяются амплитудами ax и ay линейно поляризованных волн и фазовым сдвигом Δφ между ними. Частным случаем эллиптически поляризованной волны является волна с круговой поляризацией (ax = ay, Δφ = ± π / 2).
Линейно поляризованный свет испускается лазерными источниками. Свет может оказаться поляризованным при отражении или рассеянии. В частности, голубой свет от неба частично или полностью поляризован. Однако, свет, испускаемый обычными источниками (например, солнечный свет, излучение ламп накаливания и т. п.), неполяризован. Свет таких источников в каждый момент состоит из вкладов огромного числа независимо излучающих атомов с различной ориентацией светового вектора в излучаемых этими атомами волнах. Поэтому в результирующей волне вектор беспорядочно изменяет свою ориентацию во времени, так что в среднем все направления колебаний оказываются равноправными. Неполяризованный свет называют также естественным светом. В каждый момент времени вектор может быть спроектирован на две взаимно перпендикулярные оси.Это означает, что любую волну (поляризованную и неполяризованную) можно представить как суперпозицию двух линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях волн: Но в поляризованной волне обе составляющие Ex (t) и Ey (t) когерентны, а в неполяризованной – некогерентны, т. е. в первом случае разность фаз между Ex (t) и Ey (t) постоянна, а во втором она является случайной функцией времени. Явление двойного лучепреломления света объясняется тем, что во многих кристаллических веществах показатели преломления волн, линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях, различны. Поэтому кристалл раздваивает проходящие через него лучи (рис. 3.11.1). Два луча на выходе кристалла линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Кристаллы, в которых происходит двойное лучепреломление, называются анизотропными. С помощью разложения вектора на составляющие по осям можно объяснить закон Малюса. У многих кристаллов поглощение света сильно зависит от направления электрического вектора в световой волне. Это явление называют дихроизмом. Этим свойством, в частности, обладают пластины турмалина, использованные в опытах Малюса. При определенной толщине пластинка турмалина почти полностью поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн (например, Ex) и частично пропускает вторую волну (Ey). Направление колебаний электрического вектора в прошедшей волне называется разрешенным направлением пластинки. Пластинка турмалина может быть использована как для получения поляризованного света (поляризатор), так и для анализа характера поляризации света (анализатор). В настоящее время широко применяются искусственные дихроичные пленки, которые называются поляроидами. Поляроиды почти полностью пропускают волну разрешенной поляризации и не пропускают волну, поляризованную в перпендикулярном направлении. Таким образом, поляроиды можно считать идеальными поляризационными фильтрами. Рассмотрим прохождение естественного света последовательно через два идеальных поляроида П1 и П2, разрешенные направления которых повернуты друг относительно друга на некоторый угол φ. Первый поляроид играет роль поляризатора. Он превращает естественный свет в линейно поляризованный. Второй поляроид служит для анализа падающего на него света. Если обозначить амплитуду линейно поляризованной волны после прохождения света через первый поляроид через то волна, пропущенная вторым поляроидом, будет иметь амплитуду E = E0 cos φ. Следовательно, интенсивность I линейно поляризованной волны на выходе второго поляроида будет равна Таким образом, в электромагнитной теории света закон Малюса находит естественное объяснение на основе разложения вектора на составляющие.Модель. Поляризация света Модель. Закон Малюса Закон Брюстера. При падении света под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны, отраженный свет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча, а преломленный луч частично поляризован с максимальной степенью поляризации. При отражении и преломлении лучей на границе раздела двух прозрачных сред как отраженный, так и преломленный лучи частично поляризуются. На рис. 32.23, а схематически изображен модельный луч, падающий на границу раздела воздуха и стекла под углом i. В отраженном луче больше колебаний, параллельных поверхности раздела (изображены кружками), а в преломленном луче — перпендикулярных к ним колебаний (изображены черточками). Степень поляризации этих лучей зависит от угла падения i и от показателя преломления n. Изучение этого явления показало, что в случае прозрачных веществ преломленный луч всегда поляризуется только частично, а для отраженного луча имеется одно направление, в котором он полностью поляризован (рис. 32.23, б). Оказывается, что полная поляризация отраженного луча получается в том случае, когда угол между отраженным и преломленным лучами равен π/2. Следовательно, α + β = π/2, β = π /2— α. Угол падения для этого случая обозначим через iБ. Учитывая, что <α = < iБ из второго закона преломления имеем: sin iБ/sin (π/2—iБ) = sin iБ/cos iБ = n Из этого соотношения получаем закон Брюстера: тангенс угла падения (iБ) при полной поляризации отраженного луча равен показателю преломления: tg iБ = n. Заметим, что при угле падения iБ степень поляризации преломленного луча оказывается наибольшей по сравнению с другими углами падения i. Свойство поляризации лучей при отражении можно использовать для устройства поляризаторов и анализаторов. Такого рода прибор состоит из двух зеркал — стеклянных пластинок, нижняя поверхность которых зачернена и поглощает преломленные лучи (рис. 32.24). Одно из зеркал, например, нижнее, является поляризатором. Оно располагается так, чтобы отраженный от его верхней поверхности световой луч был полностью поляризован и попадал на второе зеркало. Вращая второе зеркало как вокруг вертикальной, так и вокруг горизонтальной оси, можно найти такое положение этого зеркала, при котором отраженный от него луч исчезает. Таким образом, второе зеркало является анализатором. Красивую светосильную интерференционную картину можно получить при интерференции поляризованных лучей (хроматической поляризации), используя оптическую схему, представленную на рис. 5.17). Рис. 5.17 Роль когерентных лучей в этом случае играют обыкновенный и необыкновенный лучи, возникающие в анизотропном образце К вследствие двойного лучепреломления линейно поляризованного луча, вышедшего из поляризатора П. Анизотропный образец вырезан так, чтобы оптическая ось была параллельна его передней грани и, следовательно, обыкновенный и необыкновенный лучи, распространяясь в образце с разными скоростями, т. е. проходя разные оптические пути, пространственно не разделялись. Так как обыкновенный и необыкновенный лучи линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях, для получения интерференционной картины необходим второй поляроид (николь) А, с помощью которого колебания приводятся к одному направлению. На рис. 5.18 представлены векторные диаграммы сложения колебаний для случаев скрещенных и параллельных поляроидов П и А. Используются следующие обозначения: П и А — оси первого и второго поляроидов, 00' — оптическая ось анизотропного образца, Е — вектор-амплитуда колебаний, вышедших из первого поляроида, Е0иЕе — амплитуды колебаний обыкновенной и необыкновенной волн в образце, Е1 и Е2 — амплитуды колебаний, вышедших из второго поляроида. Как видно из рисунка, при скрещенных поляроидах из второго поляроида выходят две когерентные волны с равными амплитудами Ei =Е2 = ? • cos ос sin ос и сдвигом по фазе 5ф = (2л / А,) • d(ne -п0) + п; при 2п параллельных поляроидах Ег=Е- sin2 а ,Е2=Е- cos2 ос и 8ср =--d(ne - п0). А, Таким образом, при повороте одного из поляроидов на 90° сдвиг по фазе изменяется на л и, соответственно, цвета интерференционной картины меняются на дополнительные. Интерференция поляризованных лучей является чувствительным индикатором оптической анизотропии вещества. Вращение плоскости поляризации(оптика) — явление, происходящее с лучами поляризованного света, проходящими через некоторые кристаллы, жидкости и пары, находящиеся в естественном состоянии или же под влиянием магнетизма. Световые лучи, исходящие от самосветящихся тел (солнце, пламя свечи или газа и т. п.) по своим физическим свойствам считаются типическими и нормальными. После отражения или преломления нормальные лучи, например солнечные, приобретают некоторые особенности, выступающие особенно отчетливо в случае преломления лучей света в кристаллах, обладающих способностью двойного лучепреломления (см. это слово), каковы, например, кристаллы исландского шпата. Если пропустить солнечный луч сквозь небольшое отверстие, сделанное в непрозрачной пластинке, за которой помещен кристалл исландского шпата, то из кристалла выйдут два луча равной силы света. Солнечный луч разделился, с небольшой потерей силы света, в кристалле на два луча равной световой силы, но по некоторым свойствам отличные от неизмененного солнечного луча и друг от друга. Для определительности в дальнейшем обозначим один из новообразовавшихся лучей буквою O, а другой — буквою E. Происхождение световых лучей приписывают колебательному движению светового эфира (см. Волны света), наполняющего все свободное пространство вселенной и междучастичные промежутки тел. Колебания эфирных частиц в каждом из двух лучей, образовавшихся в исландском шпате, происходят по прямым линиям и такие лучи называются прямолинейно поляризованными (см. Поляризация света). При этом распространение светового луча происходит по направлению, перпендикулярному к направлению колебаний. |