Лабораторная работа №3

Изучение поляризации света

Цель работы: Оценка качества поляризатора с последующей проверкой закона Малюса.

Приборы и принадлежности:

1. Лабораторный оптический комплекс ЛКО-1.

2. Микропроектор (модуль 3).

3. Два поляризатора (модуль 11 и 12).

4. Поверхностный держатель (модуль 10).

5. Неидеальный поляризатор (объект 37).

1. Краткая теория

Пусть электромагнитная волна (свет) распространяется вдоль координатной оси z (рис. 1). В силу поперечности электромагнитной волны, напряженность электрического поля (вектор Е) колеблется в плоскости х, у. Если ориентация вектора Е меняется хаотично, свет называют неполяризованным или естественным. Если ориентация вектора Е изменяется упорядоченно, свет называют поляризованным.

Промежуточный случай - частично поляризованный свет.

Различают следующие виды поляризации.

Линейная или плоская поляризация: в заданной точке пространства конец вектора Е движется по прямой линии, перпендикулярной направлению распространения света. Если изобразить "мгновенную фотографию" векторов Е, начинающихся на одном луче (ось z на рис.1 ), то все эти векторы окажутся в одной плоскости, называемой плоскостью поляризации света.

Эллиптическая поляризация (в частности круговая): конец вектора Е движется по эллипсу (в частности-по окружности).

Линейную поляризацию также можно считать частным случаем эллиптической поляризации. Волну с эллиптической поляризацией можно представить как суперпозицию двух волн с линейными поляризациями (рис. 2).

Е = Е_х + E_y= Е_х е_х + Е_y е_y (1)

Рис. 3

Рис.2

В зависимости от соотношения амплитуд Е_mх, Е_mу и от разности фаз  колебаний компонент Е_х и Е_у получаются различные виды поляризации.

Линейная Е_х = 0 или Е_у = 0 или   m.

Эллиптическая Е_х   _у    m.

Круговая: амплитуды колебаний Е_х и Е_у одинаковы,

Е_mх = Е_mу,    

Неполяризованный свет: амплитуды Е_mх и Е_mу одинаковы,

при этом  хаотически изменяется в широких пределах, т.е. колебания Е_х и Е_у некогерентны. В этом случае все направления в плоскости х, у эквивалентны.

Если Е_mх  Е_mу и колебания Е_х и Е_у некогерентны, получаем

свет с частичной поляризацией, который можно представить как

суперпозицию поляризованного света с интенсивностью I_пол и

естественного света с интенсивностью I_ест (рис. 3):

I = I_пол + I_ест. (2)

Степенью поляризации Р частично поляризованного света называется доля поляризованного света в полной интенсивности излучения:

Р = I_пол  I. (3)

Для поляризованного излучения Р=1, для естественного

света Р=0. Измерить Р можно с помощью поляризатора-анализатора.

Лампы накаливания, люминесцентные излучатели, газоразрядные и многие другие источники света дают неполяризованный (естественный) свет. Свет с линейной поляризацией дают некоторые типы лазеров. Используя некоторые оптические явления и (или) анизотропные материалы (кристаллы) можно из естественного света получить свет с желаемой поляризацией.

Поляризатор - прибор, пропускающий излучение с определенным направлением колебаний вектора Е (это направление называют плоскостью поляризатора) и задерживающий излучение с другими направлениями колебаний. Если на поляризатор падает линейно поляризованный свет с вектором напряженности Е, и плоскость поляризации света составляет угол  с плоскостью поляризатора, то в волне, прошедшей через идеальный поляризатор, останется только компонента Е₁, параллельная плоскости поляризатора (рис. 3)

Е₁ = Е cos  Е₂ = 0.

П

Рис.4

Поскольку интенсивность пропорциональна среднему квадрату напряженности, то для интенсивности линейно поляризованного света, прошедшего через идеальный поляризатор, получаем соотношение, называемое законом Малюса:

I₁ = I cos²  (4)

При падении на поляризатор естественного света, в прошедшей волне останется одна из компонент колебаний, параллельная плоскости поляризатора, т.е. естественный свет превращается в линейно поляризованный. Интенсивности, соответствующие ортогональным колебаниям, в естественном свете одинаковы, и каждая из них равна половине общей интенсивности I_ест. После поляризатора имеем волну с интенсивностью одной из ортогональных компонент:

I_прош = I_ест / 2 (5)

При падении на поляризатор частично поляризованного света интенсивность прошедшего света зависит от ориентации поляризатора более сложно. Обращаясь к рис. 3 и учитывая (4) и (5), найдем:

I_прош = I_пол cos² + I_ест / 2

При  интенсивность максимальна, при      -минимальна :

I_mах = I_пол + I_ест / 2,

I_min = I_ест / 2.

Поворачивая идеальный поляризатор вокруг оси z и измеряя интенсивность прошедшего света, можно найти степень поляризации падающего света:

Р = (I_maх - I_min) / (I_maх+ I_min) (6)

Неидеальный поляризатор имеет коэффициент пропускания ₁ для колебаний, параллельных плоскости поляризатора, и коэффициент пропускания ₂  _ для колебаний, перпендикулярных ей. Естественный свет по прохождении через такой поляризатор становится частично поляризованным со степенью поляризации

Р = (__₁_ (7)

Анализатор - так часто называют поляризатор, используемый для анализа поляризации излучения.