Лабораторная работа 48

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Цель работы: проверка закона Малюса.

Приборы и принадлежности: источник света, две призмы Николя, фотоэлемент, гальванометр.

Основные понятия

Поляризация света – явление упорядочения плоскости колебания вектора Е световой волны в пространстве. Световая волна является частным случаем электромагнитной волны, которая представляет собой распространение колебаний векторов напряженности электрического Е и магнитного В полей во времени и в пространстве. В однородном изотропном диэлектрике показатель преломления вещества равен n  . К таким веществам относятся, например, воздух, стекло, вода.

В

z

изотропной среде направление луча и, следовательно, направление вектора плотности потока энергии S совпадают с направлением волновой нормали n (нормаль к волновой поверхности, т.е. к поверхности постоянной фазы).

В ажнейшим свойством электромагнитных волн, благодаря которому возможна их поляризация, является их поперечность, при которой векторы Е и В взаимно перпендикулярны и перпендикулярны вектору S (рис. 1).

Взаимно перпендикулярные векторы Е, В, S образуют правовинтовую систему.

Плоская монохроматическая волна является простейшим видом электромагнитных волн, в этом случае колебания векторов Е и В происходят по гармоническому закону. Например, если волна распространяется вдоль оси z, то

Е=Е₀соs(t – kz), В=В₀cos(t – kz).

Здесь k=2/  - волновое число;  - длина волны;  - циклическая частота.

Излучение обычных источников света лампы накаливания или газоразрядной трубки является результатом сложения (суперпозиции) большого числа почти независимых излучений атомов или молекул вещества, длительность которых около 10^-8 с. Поэтому направления колебаний Е и В в лучах таких источников света совершенно неупорядочены. Такой свет называют естественным.

Свет, в котором направление колебаний светового вектора Е (следовательно, и вектора Н) упорядочено каким-либо образом называется поляризованным.

Если векторы Е и В при распространении волны остаются в фиксированных взаимно перпендикулярных плоскостях, например, Е в плоскости xоz, В в плоскости yоz, то волну называют плоско поляризованной (рис.1).

Поляризацию можно осуществить различными способами, например, при отражении и преломлении на границе изотропных диэлектриков. Если на границу раздела двух изотропных диэлектриков, воздуха и стекла падает луч S естественного света (рис. 2), то в общем случае отраженный и преломленный лучи S′ и S″ частично поляризованы, т.е. каждый из лучей можно представить как смесь естественного света с некоторой долей линейно поляризованного.

О траженный свет максимально линейно поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, если угол его падения на границу раздела сред удовлетворяет закону Брюстера

tg i_Бр= n₂₁,

где n₂₁-относительный показатель преломления, i_Бр – угол Брюстера.

Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны.

Поляризацию света можно наблюдать при двойном лучепреломлении.

В анизотропных кристаллах наблюдается двойное преломление, т.е. каждому лучу, падающему извне на кристалл, соответствует два преломленных луча (обыкновенный ″о″ и необыкновенный ″е″), различающихся скоростями распространения волн и показателями преломления. В одноосных кристаллах существует одно направление, называемое оптической осью, вдоль которого скорости этих лучей одинаковы. В двухосных кристаллах имеются два таких направления, т.е. две оптические оси и оба преломленных луча ведут себя как необыкновенные. Плоскость, проходящая через направление луча света и оптическую ось, называется главной плоскостью (главным сечением) кристалла. В одноосных кристаллах обыкновенная и необыкновенная волны линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Колебания светового вектора Е происходят в обыкновенном луче перпендикулярно главной плоскости, в необыкновенном – в главной плоскости. Скорость обыкновенного луча v₀ численно одинакова по всем направлениям v₀= c/n₀, где n₀ - показатель преломления кристалла для обыкновенного луча. Скорость необыкновенного луча v_e= c/n_e, где n_e – показатель преломления кристалла для необыкновенного луча. Значения n_е и v_е зависят от направления необыкновенного луча по отношению к оптической оси кристалла. Для луча, распространяющегося вдоль оптической оси, n_е= n₀, v_е = v_0. Значение n_е наиболее сильно отличается от n₀ для направления, перпендикулярного оптической оси.

Строение человеческого глаза не позволяет отличить поляризованный свет от естественного, поэтому для исследования характера поляризации света используют различные поляризационные приспособления – анализаторы. Те же приборы могут применяться для получения линейно поляризованного света из естественного, тогда их называют поляризаторами. Наиболее распространены призмы и поляроиды. Поляризационные призмы изготавливают из одноосных анизотропных кристаллов, их действие сводится к двойному лучепреломлению. Призма Николя (рис. 3), или просто николь, изготавливается из двух половин кристалла исландского шпата, склеенных вдоль линии АВ канадским бальзамом. Оптическая ось ОО′ составляет с входной гранью кристалла угол 48. На передней грани луч света разделяется на два: обыкновенный и необыкновенный.

Показатель преломления канадского бальзама n =1,55 находится между n₀=1,66 и n_е=1,51, поэтому обыкновенный луч при соответствующем подборе угла падения испытывает на границе с бальзамом полное отражение, а затем поглощается зачерненной боковой поверхностью. Необыкновенный луч выходит из кристалла параллельно падающему лучу, незначительно смещенному относительно него.

На рис 4 схематически изображено прохождение лучей естественного света через два одинаковых поляризационных прибора поляризатор П и анализатор А; векторы Е волны условно изображены стрелками, перпендикулярными лучу. В случае (а) оптические оси параллельны, поэтому после анализатора выходит линейно поляризованный свет максимальной интенсивности. В случае (б) анализатор и поляризатор ″скрещены″, т.е. из поляризатора выходит линейно поляризованный свет с направлением вектора Е, перпендикулярным направлению пропускания анализатора, поэтому свет вовсе не выходит из анализатора, интенсивность его равна нулю. При вращении поляризатора относительно луча SS′ изменяется угол между направлениями пропускания приборов. Согласно закону Малюса интенсивность I света, прошедшего через анализатор, пропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостями поляризатора и анализатора:

I = I₀ cos² 

Первый николь (поляризатор) пропускает плоскополяризованный свет, интенсивность которого I₀ составляет половину естественного света I_ест. Таким образом, интенсивность света, прошедшего два поляризатора:

  

При николи параллельны) интенсивность прошедшего света I максимальна и равна I₀. При  (николи скрещены) свет, вышедший из поляризатора, не проходит через анализатор и интенсивность света I равна нулю.