Сделай Сам Свою Работу на 5

Методы получения линейно поляризованного света





Лабораторная работа № 8

Естественный и поляризованный свет

Приборы и принадлежности: осветитель, черное зеркало, стопа Столетова, исландский шпат, призма Николя, прибор Норренберга.

Цель работы: изучить методы получения линейно поляризованного света и поляризационные приспособления, проверить закон Малюса.

Вопросы, ответы на которые необходимо знать для выполнения работы:

1. Уравнение и свойства электромагнитной волны.

2. Естественный и линейно поляризованный свет.

3. Формулы Френеля. Закон Брюстера.

4. Явления, в результате которых свет поляризуется. Поляризаторы.

5. Закон Малюса.

6. Анализ поляризованного света.

Введение в теорию

Световые волны поперечны: электрический вектор и магнитный вектор (или ) волны взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны – вектору скорости .

Рис. 1

На рис. 1 представлена моментальная фотография плоской монохроматической волны, распространяющейся в направлении оси x. Во всякой данной точке пространства ориентация пары векторов и в плоскости, перпендикулярной вектору , может изменяться со временем. В зависимости от характера такого изменения различают естественный и поляризованный свет. Далее, говоря о направлении световых колебаний, будет подразумеваться направление колебаний электрического вектора .



Обычные источники света являются совокупностью огромного числа быстро высвечивающихся (10-10-10-8с) элементарных источников (атомов или молекул), испускающих свет независимо друг от друга, с разными фазами и с разными ориентациями вектора . Ориентация вектора в результирующей волне поэтому хаотически изменяется во времени, так что в плоскости, перпендикулярной вектору , все направления оказываются в среднем равноправными. Такой свет называется естественным или неполяризованным.

На рис.2 схематически представлен луч неполяризованного света, который распростра­няется перпендикулярно плоскости рисунка. Таким образом, естественный свет обладает (статистически) осевой симметрией относительно направления его распространения.

Поляризованный свет есть свет с преимущественным направлением световых колебаний. При помощи специальных приспособлений (поляризаторов), естественный свет может быть превращен в линейно поляризованный (плоскополяризованный). В линейно поляризованном свете колебания вектора (вектора ) происходят в одном направлении, т.е. пара векторов и не изменяет с течением времени своей ориентации.



Наиболее общим типом поляризации является эллиптическая поляризация. При этом конец вектора ( в данной точке пространства) описывает некоторый эллипс. Линейно поляризованный свет можно рассматривать как частный случай эллиптически поляризованного света (эллипс поляризации вырождается в отрезок). В данной работе будет изучаться линейная поляризация.

Частично поляризованный свет можно представить как смесь естественного и линейно поляризованного света.

Направление колебаний электрического вектора в волне, прошедшей через поляризатор, называется разрешенным направлением поляризатора (или главным направлением поляризатора).

Методы получения линейно поляризованного света

1) Отражение света от диэлектрической пластинки (опыт с черным зеркалом).

Отраженный от диэлектрика свет частично поляризован. Степень поляризации света, отраженного от диэлектрической пластинки в воздух, зависит от показателя преломления диэлектрика n и от угла падения i. Полная поляризация отраженного света достигается при падении под углом Брюстера iБ, который определяется соотношением: tgiБ = n(1), где n-относительный показатель преломления диэлектрика относительно воздуха.



В этом случае плоскость колебаний электрического вектора в отраженном свете перпендикулярна плоскости падения (рис. 3).

Рис.3

2) Преломление света в стеклянной пластинке(опыт со стопой Столетова).

Поскольку отраженный от диэлектрической пластинки свет оказывается частично (или даже полностью) поляризованным, проходящий свет всегда частично поляризуется. Максимальная поляризация проходящего света достигается при падении под углом Брюстера. Рассмотрим пример: свет падает на стекло с n=1.5. Тогда угол Брюстера iБ=57о. При таком угле падения отражается примерно седьмая часть света, а шесть седьмых преломляется и проходит в стекло. Отраженный свет поляризован полностью. В проходящем же свете поляризована только примерно седьмая часть падающего (с колебаниями в плоскости падения), а пять седьмых не поляризовано. Если свет пропускать последовательно через несколько пластинок (стопа Столетова), то можно добиться почти полной поляризации и в проходящем свете (с колебаниями светового вектора в плоскости падения).

3) Преломление света в двоякопреломляющих кристаллах (исландский шпат)

Некоторые кристаллы, например исландский шпат, обладают свойством двойного лучепреломления. Преломляясь в таком кристалле, световой луч разделяется на два луча со взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. Двойное лучепреломление не наблюдается лишь в том случае, когда свет в кристалле распространяется вдоль оптической оси. Исландский шпат - кристалл одноосный; оптическая ось-это любая прямая в кристалле, параллельная прямой АВ, проходящей через тупые углы ромбоэдра (рис.4). Плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главной плоскостью или главным сечением.

Если луч света падает нормально на естественную грань кристалла, то он все равно разделяется на два луча- обыкновенный о и необыкновенный е, лежащие в главной плоскости. Оба они будут плоскополяризованы. Электрический вектор луча е лежит в главной плоскости, а для луча о электрический вектор перпендикулярен главной плоскости. Показатель преломления обыкновенного луча nо=1,658 и не зависит от направления в кристалле; для необыкновенного луча nе, разный в разных направлениях, от nе=1,486 в направлении, перпендикулярном оптической оси, до nе=nо=1,658 вдоль оптической оси. Из перечисленных свойств видно, как можно получить плоскополяризованный свет: нужно пропустить свет через кристалл под углом к оптической оси. Тогда получим два пучка плоскополяризованного света.

Рис.4

Отклоняя один из лучей в сторону, можно получить плоскополяризованный свет‑ так устроена, например, поляризационная призма Николя (рис.5).

ne<n<no

Рис.5

4) Поглощение света в дихроичных пластинках (поляроиды)

У некоторых двоякопреломляющих кристаллов (например, турмалина) коэффициенты поглощения света для обыкновенного и необыкновенного лучей отличаются настолько сильно, что уже при небольшой толщине кристалла один из лучей (обыкновенный) гасится практически полностью, и из кристалла выходит линейно поляризованный пучок света определенного спектрального состава (для турмалина это желто-зеленая часть спектра). Это явление носит название дихроизма. В настоящее время дихроичные пластинки изготовляются в виде тонких пленок- поляроидов.

Монокристаллы другого дихроичного вещества- герапатита уже при толщине порядка 0,3 мм дают в проходящем пучке почти линейно поляризованный свет (степень поляризации больше 99,5%) во всем видимом спектре.

В последнее время появились поляроиды, которые получаются путем иодирования пластмасс и создания из них растянутых пленок. Сильный дихроизм таких пленок обусловлен одинаковой ориентацией молекул I2, находящихся среди ориентированных в одном направлении молекул пластмассы. Пластмассовые поляроиды дают очень высокую степень поляризации по всему видимому спектру, включая и его красную область.

Преимущество поляроидов по сравнению с поляризационными призмами заключается в возможности получать поляризующие системы с большой апертурой. Малая толщина поляроида позволяет устанавливать его практически в любом месте оптической системы. Степень поляризации достигает 98%.

Недостатки поляроидов связаны с некоторым изменением спектрального состава света, проходящего через такой поляризатор. Поляризационные призмы из кальцита или кварца практически не изменяют спектральный состав проходящего через них света.

Анализ поляризованного света

Приспособления, служащие для исследования состояния поляризации света, называются анализаторами. В качестве анализатора может быть использован любой поляризатор, т.е. поляризаторы и анализаторы различаются только по назначению. Чтобы понять принцип работы анализатора, рассмотрим закон Малюса.

Пусть на поляризатор П (рис.6), главное направление которого совпадает с прямой Р1Р2 падает естественный свет. На выходе свет будет плоскополяризован и будет иметь амплитуду Е1.

 

Рис.6

Колебания электрического вектора упорядочены и направлены вдоль прямой Р1Р2. Далее свет падает на анализатор А, главное направление которого совпадает с прямой А1А2. Анализатор пропустит только ту компоненту вектора Е1, которая параллельна главному направлению анализатора: Е2II1cosa, где a- угол между главными направлениями анализатора и поляризатора.

Отношение интенсивностей пропорционально отношению квадратов амплитуд. Следовательно,

I2=I1cos2a ( )

Уравнение ( ) выражает закон Малюса.

Таким образом, при изменении угла между главными направлениями поляризатора и анализатора, т.е. при повороте анализатора, будет изменяться интенсивность проходящего света. Если главные направления поляризатора и анализатора параллельны, то интенсивность проходящего света будет максимальной, если они перпендикулярны, то интенсивность минимальна.

Прибор Норренберга.

На платформе в гнезде может вращаться анализатор поляризованного света. Положение анализатора относительно прибора может быть отсчитано с помощью указателя.

Лист бумаги необходимо хорошо осветить, поставив рядом осветитель. Если на предметном столике нет поляризатора, то прибор Норренберга пропустит в вертикальном направлении пучок неполяризованных лучей.

 

 

 

Рис.7

1-основание;

2-лист белой бумаги, которая выполняет роль отражателя;

3- вертикальные стойки;

4- предметный столик;

5- диафрагма;

6- платформа;

7- градусный лимб.

 

Задание I. Изучение поляризационных приспособлений.

1) Поместите на платформу поляроид и, вращая его вокруг вертикальной оси, проведите наблюдение над прошедшим лучом. Изменяется ли интенсивность света при повороте? Объясните наблюдаемое явление.

2) На верхнюю платформу поместите призму Николя (в качестве анализатора), а на предметный столик- поляроид (в качестве поляризатора). Поворачивая призму Николя, убедитесь, что свет, прошедший через поляроид, поляризован. Поменяв местами призму и поляроид, повторите опыт (рис.8).

Рис.8 Рис.9

Определение разрешенного направления поляроида.

Направление разрешенных колебаний поляроида можно определить с помощью черного зеркала. На предметный столик ставится поляроид, на верхнюю платформу- черное зеркало (рис.9). Зеркало устанавливают так, чтобы плоскость падения была вертикальна. Прошедший через поляроид и отраженный от зеркала свет наблюдают сбоку; при этом глаз располагают так, чтобы изображение диафрагмы располагалось вблизи оси поворота зеркала.

Поворачивая поляроид вокруг направления луча, можно заметить, что яркость отражения в черном зеркале меняется. Объясните наблюдаемое явление. Установите поляроид в положение, когда эта яркость минимальна. После этого поверните зеркало вокруг горизонтальной оси, снова добиваясь минимальной интенсивности отраженного света. Затем положение поляроида и зеркала можно уточнить. В таком положении система, состоящая из поляроида и черного зеркала, практически не пропускает света. Это означает, что зеркало установлено под углом Брюстера и что в падающей на зеркало световой волне электрический вектор лежит в плоскости падения (вертикальная плоскость). Следовательно, разрешенное направление поляроида также лежит в плоскости падения.

Измерив по углу поворота зеркала угол Брюстера, нетрудно определить коэффициент преломления материала, из которого изготовлено зеркало.

1) На предметный столик поместите горизонтальную стопу Столетова (поляризатор). На верхнюю платформу- поляроид (анализатор). Исследуя при помощи поляроида свет, прошедший через стопу Столетова, решите, поляризован ли он. Повторите подобные наблюдения несколько раз, меняя угол наклона стопы. Объясните наблюдаемое. Можно ли добиться полной поляризации света, пользуясь стопой Столетова? Сколько раз при полном повороте поляроида получается гашение света и достигается максимум яркости?

2) Пронаблюдайте двойное лучепреломление в исландском шпате. Для этого установите кристалл на верхнюю платформу. В поле зрения видны два изображения диафрагмы: одно создается обыкновенным лучом, другое- необыкновенным. При вращении кристалла одно изображение диафрагмы остается неподвижным, другое- описывает окружность вокруг первого.

3) Поместите на предметный столик поляроид (в качестве поляризатора), на верхнюю платформу- кристалл исландского шпата. Что наблюдается при вращении кристалла? Объясните наблюдаемое явление. Отметьте по шкале угол поворота, соответствующий переходу от гашения луча обыкновенного к гашению луча необыкновенного.

Задание 2. Проверка закона Малюса

Установка для проверки закона Малюса (рис.10) представляет собой: оптическую скамью- 1, на которой смонтированы источник света- 2, поляризационный узел-3 и узел анализатора света-4.

Источником света служит 8-ми вольтовая лампа накаливания в кожухе-5, питаемая током от пониженного трансформатора- 6.

Поляризационный узел состоит из корпуса-7, в котором в подвижной обойме вмонтирован поляризатор света- 8. Поляризатор можно вращать в корпусе на 360о за рифленое кольцо- 9. Узел анализатора состоит из корпуса- 10, на котором нанесен индекс отсчета- 11, анализатора- 12, вмонтированного в подвижную обойму, градусного лимба- 13, закрепленного на обойме анализатора, фотоэлемента- 14, микроамперметра- 15. Анализатор может вращаться в корпусе на 360о за кольцо обоймы анализатора с лимбом.

Свет от источника (5), проходя через поляризатор (8), становится плоскополяризованным. Анализатор (12) пропускает только колебания, у которых электрический вектор совпадает с его главным направлением. Пусть главные направления анализатора (4) и поляризатора (8) создают между собой некоторый угол j. Зависимость между интенсивностью света, проходящего через систему поляризатор- анализатор, и углом j

 

Рис.10

 

выражается законом Малюса:

I=Iocos2j,

где Io- интенсивность света, прошедшего через поляризатор, I- интенсивность света, прошедшего через анализатор.

Подготовка установки к работе.

-совместить «0» лимба анализатора с индексом на корпусе;

-включить источник света в сеть;

-вращая поляризатор за рифленое кольцо, добиться максимального отклонения стрелки микроамперметра (15). Это свидетельствует о том, что направления, в котором пропускают свет анализатор и поляризатор, совпадают.

Измерения.

Вращая анализатор на 360о через каждые 15о, записывать значения углов поворота анализатора j и соответствующие им значения фототока в таблицу.

j 0о 15о 30о . . . . . 360о
I

По полученным измерениям построить график зависимости силы фототока I от угла скрещивания поляроидов j.

 

Литература.

1.Ландсберг Г. Оптика. -М.: Наука, 1976.

2.Руководство к лабораторным занятиям по физике / под ред. Л.Гольдина. -М.: Наука, 1973.

 

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.