Описание экспериментальной установки

Рис. 1

Схема установки для исследования эффекта Керра представлена на рис. 1. В качестве источника излучения используется гелий-неоновый лазер мощностью 1 мВт. Свет лазера 3 проходит через поляризатор 4 (плоскость поляризации вертикальна), далее через PLZТ-элемент 5, установленный под углом 45⁰ к вертикали. Плоскость анализатора 6 устанавливается под углом 90⁰ к плоскости поляризатора. За анализатором помещается фотодетектор с усилителем 7 . Ячейка Керра с образцом PLZТ внутри (см. рис.) соединяется с источником высокого напряжения (0 – 1000 В) 1, параллельно подключается цифровой мультиметр 2.

Длина образца PLZТ 1,5 мм – это и есть геометрический путь луча света в веществе. Ширина образца – 1,4 мм – это расстояние между пластинами конденсатора.

Рис. 2

Строение ячейки Керра показано на рис. 2. Ячейка Керра: 1 – образец PLZT; 2 – силиконовая прокладка; 3 – изолятор; 4 – стеклянная пластина; 5 – Канадский бальзам; 6 – провод; 7 – оправа.

Порядок выполнения работы Все измерения следует проводить только в темном помещении! Лазер необходимо включать за 1 час до начала эксперимента, чтобы стабилизировать его излучение!

1. Изменяя напряжение на ячейке Керра от 300 В до 1000 В с шагом 50 В, проведите измерения интенсивности света, падающего на анализатор.

Нельзя во время эксперимента превышать напряжение 1000 В, иначе произойдет разрушение PLZТ! После каждого изменения величины подаваемого напряжения на ячейку Керра необходимо выдерживать около 5 минут и затем проводить измерения!

2. Результаты измерений занести в таблицу:

3. Сделайте расчет величин: и , где

- максимальное значение интенсивности света, падающего на анализатор. Заполните соответствующие графы таблицы.

4. Постройте графическую зависимость . Соедините точки плавной кривой. Определите по графику «напряжение соответствующее »: при этом напряжении внешнего электрического поля разность фаз обыкновенного и необыкновенного лучей, прошедших данный образец, становится равной 90⁰. Следовательно, этому напряжению соответствует первый максимум на графике.

5. Представьте результаты графически . Выполните линейную аппроксимацию экспериментальных данных. Определите по графику постоянную Керра (см. формулу (4)).

6. Оцените точность, полученных результатов.

Примеры построения экспериментальных графических зависимостей

Рис. 3. Относительная интенсивность излучения и фазовый сдвиг, как функция напряжения приложенного к ячейке.

Рис. 4. Квадрат напряжения приложенного к ячейке как функция фазового сдвига между обыкновенным и необыкновенным лучом.

Работа 11. Исследование магнитного вращения плоскости поляризации света. Эффект фарадея. Теоретические сведения

Свет представляет собой электромагнитные волны. Электрический вектор и магнитный вектор взаимно перпендикулярны. Они располагаются в плоскости, перпендикулярной направлению луча, задаваемому волновым вектором (рис.1). В любой точке пространства ориентация пары векторов и в плоскости перпендикулярной, может, вообще говоря, изменяться со временем. В зависимости от характера такого изменения различают естественный и поляризованный свет.

Обычные источники света являются совокупностью огромного числа быстро высвечивающихся (за времена порядка 10^-10 – 10^-8 с) элементарных источников (атомов или молекул), испускающих свет независимо друг от друга, с разными фазами и ориентациями векторов и . Ориентация векторов и в результирующей волне хаотически изменяется со временем, так что, в плоскости, перпендикулярной лучу , все направления оказываются в среднем равноправными. Такой свет называют естественным или неполяризованным.

При помощи поляризаторов естественный свет может быть превращен в линейно поляризованный (или плоско поляризованный). В линейно поляризованной световой волне пара векторов и не изменяет с течением времени своей ориентации. Плоскость , называется в этом случае плоскостью поляризации света.

Наиболее общим типом поляризации является эллиптическая поляризация. Если наблюдать изменение электрического вектора в такой волне вдоль направления распространения, то окажется, что его конец описывает эллипс. Линейно поляризованный свет можно рассматривать как частный случай эллиптически поляризованного света, когда эллипс поляризации вырождается в отрезок

прямой линии; другим частным случаем является круговая поляризация (эллипс поляризации является окружностью).

Магнитное вращение плоскости поляризации. Вещества, не обладающие способностью вращать плоскость поляризации, приобретают такую способность под влиянием внешнего магнитного поля. Явление искусственного магнитного вращения плоскости поляризации было открыто в 1846 г. Фарадеем.

Магнитное вращение плоскости поляризации происходит при распространении света в прозрачном веществе вдоль линий напряженности магнитного поля. Поэтому наиболее удобно наблюдать магнитное вращение, просверлив в наконечниках электромагнита узкие каналы. Схема опыта представлена на рис.1, где S – источник света, A и B – наконечники электромагнита, N₁ и N₂ - поляризационные призмы Николя, С – тело, в котором происходит вращение плоскости поляризации света. При отсутствии магнитного поля, для чего ток в электромагните выключается, при скрещенных поляризаторах N₁ и N₂ свет не проходит через оптическую систему. При включении тока в цепь электромагнита между полюсами возникает магнитное поле, плоскость поляризации света при прохождении через прозрачное тело C поворачивается, и свет начинает проходить через призму Николя N₂.

Угол поворота плоскости поляризации ψ пропорционален длине пути луча света l в веществе, находящемся в магнитном поле, и напряженности магнитного поля H:

;

коэффициент k характеризует способность данного тела вращать плоскость поляризации в магнитном поле. Численные значения k, вообще говоря, не велики. Способность вращать плоскость поляризации в магнитном поле обнаруживают как твердые прозрачные вещества, так жидкости и газы. Для некоторых сортов стекла (тяжелый флинт) величина k достигает значений 0.1, если угол ψ измерять в минутах, H – в эрстедах (1 Тесла =10000 эрстед) и l в сантиметрах.

Если тела обладают естественной оптической активностью, то при внесении их в магнитное поле их естественная способность вращать плоскость поляризации складывается со способностью вращать, возникшей под влиянием внешнего магнитного поля.

Особенно большое вращение наблюдается в очень тонких прозрачных слоях ферромагнитных металлов: железе, никеле, кобальте. Пленка железа толщиной в 0.1 микрон в магнитном поле напряженностью 10 000 эрстед поворачивает плоскость поляризации на угол 2º.

Разные тела вращают плоскость поляризации в различных направлениях. Правовращающими, или положительными называются вещества, поворачивающие плоскость поляризации вправо для наблюдателя, смотрящего вдоль магнитного поля. Если направлению линий напряженности магнитного поля сопоставить поступательное движение буравчика, то направление вращения головки буравчика укажет направление поворота плоскости поляризации. Для положительных веществ коэффициент k считается положительным. Вещества, вращающие вектор в противоположном направлении называются левовращающими, или отрицательными.

Направление вращения плоскости поляризации для данного вещества не зависит от направления распространения света.