5.2.2. Отражение света от поверхности диэлектрика

Отраженный от диэлектрика свет всегда частично поляризован. На рис. 14 черные кружочки соответствуют колебаниям вектора , перпендикулярным плоскости падения, черточки – колебаниям в плоскости падения. Степень поляризации отраженного луча зависит от относительного показателя преломления и от угла падения i. При падении луча на плоскость МN под углом Брюстера отраженный луч полностью поляризован. Преломленный луч поляризован частично. Соотношение

называется законом Брюстера. Плоскость колебаний электрического вектора в отраженном свете перпендикулярна плоскости падения (рис. 14).

Поскольку отраженный от диэлектрической пластинки свет частично (или даже полностью) поляризован, проходящий свет также частично поляризуется и становится смешанным светом. Преимущественные колебания электрического вектора в прошедшем свете будут совершаться в плоскости падения. Максимальная, но не полная поляризация проходящего света достигается при падении под углом Брюстера. Для увеличения степени поляризации проходящего света используют стопу стеклянных пластинок, расположенных под углом Брюстера к падающему свету. В этом случае можно получить практически полностью поляризованный проходящий свет, так как каждое отражение ослабляет пропущенные колебания, перпендикулярные плоскости падения в определенном отношении.

5.2.3. Преломление света в двояковыпуклых кристаллах

Некоторые кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления. Преломляясь в таком кристалле, световой луч разделяется на два линейно поляризованных луча с взаимно перпендикулярными направлениями колебаний. Один из лучей называется обыкновенным и обозначается буквой о, второй — необыкновенным и обозначается буквой е.

Обыкновенный луч удовлетворяет обычному закону преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью. Для необыкновенного луча отношение синусов углов падения и преломления не остается постоянным при изменении угла падения. Кроме того, необыкновенный луч, как правило, не лежит в плоскости падения и отклоняется от луча о даже при нормальном падении света.

Отклоняя один из лучей в сторону, можно получить плоскополяризованный луч. Так устроена, например, поляризационная призма Николя (рис. 15). Две естественные грани кристалла исландского шпата срезаются так, чтобы уменьшить угол между поверхностями до 68°. Затем кристалл распиливается на две части по плоскости BD под углом 90° к новым граням. После полировки поверхности распила склеиваются канадским бальзамом, имеющим показатель преломления удовлетворяющий условию , где и показатели преломления исландского шпата для обыкновенного и необыкновенного лучей.

Падая под углом, большим предельного, на плоскость BD, обыкновенный луч претерпевает полное внутреннее отражение на границе шпат-бальзам. Необыкновенный луч, для которого выходит из призмы линейно поляризованным.

5.2.4. Поглощение света в дихроических пластинках

У некоторых двоякопреломляющих кристаллов (например, турмалина) коэффициенты поглощения света для двух взаимно перпендикулярных поляри­зованных лучей отличаются настолько сильно, что уже при небольшой толщине кристалла один из лучей гасится практически полностью и из кристалла выходит линейно поляризованный пучок свега. Это явление называется дихроизмом. В настоящее время дихроические пластинки изготовляют в виде тонких пленок — поляроидов, имеющих широкое применение. В большинстве случаев они состоят из множества маленьких (толщиной до 0,3 мм) параллельно ориентированных кристаллов сернокислого йодистого хинина — герапатита, находящихся внутри связующей среды — прозрачной пленки.

Приборы и принадлежности: Оптическая скамья ФОС-17; люксметр; поворотный столик с круговой шкалой. Поляроид съемный; поляроид встроенный в держателе с круговой шкалой; диапозитив с тремя круглыми кристаллическими пластинами (оптические оси параллельны плоскости пластин); модели из органического стекла; кристалл исландского шпата; щель съемная; стеклянная пластина.

Выполнение работы

Задание1. Экспериментальное подтверждение закона Малюса.

В качестве поляризатора можно взять съемный поляроид, в качестве анализатора - встроенный поляроид с круговой шкалой.

Люксметр (Лк) укрепить на штативе. Установить шкалу анализатора А на нуль и поворотом поляризатора П добиться максимальной освещенности Е. Поворачивая анализатор с шагом от до , измерять величину освещенности. Построить график и сделать вывод.

Задание 2. а) Интерференция линейно-поляризованного света.

К–диапозитив с тремя круглыми кристаллическими пластинами.

Выяснить, как изменяются цвета при повороте анализатора на 90°, 180°, 270° и 360° (проследить за изменением нескольких цветов). Используя плакат «Цвет света», сделать выводы.

б) Применение фотоупругого эффекта для исследования распределения напряжения в изотропных прозрачных твердых телах.

Теперь вместо диапозитива с кристаллическими пластинами устанавливаются модели №1 (балка) и №2 (пластина). До установки моделей на пути световых лучей нужно поляризатор и анализатор установить на полное гашение света (плоскости пропускания П-П и А-А перпендикулярны). Закрепить в держателе модель 1 (с предварительно ослабленным зажимным винтом) и получить ее изображение на экране. Затем зажать модель винтом и проследить за изменениями в изображении на экране. Модель №2 (в держателе не закрепится) испытывается на изгиб аналогичным образом. Сделать необходимые рисунки и выводы по заданию.

Задание 3. Исследование явления двойного лучепреломления.

В держателе с диском Д револьверного типа, имеющем круглые диафрагмы различных радиусов, закрепить кристалл исландского шпата ИШ. Установить диафрагму с наименьшим радиусом (≈0,5 мм). Объектив поставить как можно правее (по рисунку) и, перемещая держатель с ИШ, получить четкое изображение на экране. Затем, удерживая рукой держатель с ИШ (чтобы изображение на экране не «дергалось»), плавно вращать окошко с ИШ. Сделать вывод.

Поставить между объективом и кристаллом анализатор с круговой шкалой. Вращая анализатор, следить за изменением характера изображения на экране. Отметив необходимые углы, сделать вывод.

Задание 4. Исследование поляризации при отражении.

Установить плоскопараллельную стеклянную пластину на поворотном столике. Шкалу столика установить на нуль. Закрепить в одном из держателей съемную щель и с помощью имеющейся на щели пружины установить матовое стекло.

Теперь необходимо добиться, чтобы поверхность стеклянной пластины была перпендикулярна световому пучку (угол падения лучей тогда будет равен нулю). Для этого, глядя сверху со стороны щели и поворачивая предметный столик (не шкалу!) нужно добиться, чтобы щель, центр столика и изображение щели лежали на одной прямой. Затем, поворачивая пластину (не столик!) по часовой стрелке, исследовать отраженный свет на линейную поляризованность с помощью съемного поляроида (при этом глаз, центр столика и изображение щели должны быть на одной прямой!). При достижении некоторого предельного угла Х отраженный свет будет почти полностью гаситься поляроидом. Записать это значение угла. Сняв стеклянную пластину с поворотного столика, определите ее показатель преломления n. После этого нужно сопоставить с показателем преломления n и сделать выводы.

Контрольные вопросы

Какой свет называется поляризованным?

Выведите и объясните закон Малюса.

В чем состоит явление двойного лучепреломления?

Пластинки в полволны и в четверть волны.

Принцип действия призмы Николя.

Интерференция линейно поляризованных лучей.

Получить и проанализировать формулы Френеля.

Как Вы наблюдали внутреннее напряжение при растяжении и сжатии твердых тел? Как оно проявилось?

В чем заключается явление двойного лучепреломления, в каких веществах оно существует, как Вы наблюдали двойное лучепреломление в работе?

Что Вы наблюдали, когда поворачивали образец с многослойными кругами пленок, укрепленной между поляроидами? Объяснить свои наблюдения.