Методические указания к лабораторной работе

«ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА»

ОПТИКА

Для студентов технических специальностей

Цель работы: ознакомиться с основными свойствами поляризованного света, убедиться в справедливости закона Малюса.

Теоретическое обоснование

Свет - это электромагнитные волны, излучаемые атомами и молекулами при переходе их из возбужденного состояния в основное за время ~ 10^-8 c.

Длина цуга световой волны в воздухе около 3 м. Электромагнитная волна характеризуется направлением распространения , векторами напряженности электрического и магнитного поля. Векторы и колеблются синфазно и взаимно перпендикулярны направлению распространения волны (рис.1). Поскольку источники света содержат огромное число атомов и молекул, естественный свет является наложением (суперпозицией) цугов электромагнитных волн, излучаемых множеством атомов светящегося тела. Вследствие этого наложения в результирующей световой волне естественного света колебания векторов и происходят в любых плоскостях.

Рис.1

Свет называется плоскополяризованным, если колебания вектора происходят в строго определенной плоскости, называемой плоскостью поляризации (рис.2)

Рис.2

Плоско поляризованный свет можно получить из естественного, пропустив его через поляризатор. Поляризатором называется устройство,

преобразующее естественный свет в плоско поляризованный. Его действие основано на том, что поляризатор полностью пропускает свет с колебаниями вектора , совпадающими с плоскостью поляризатора.

Свет полностью задерживается, если вектор колеблется в плоскости, перпендикулярной плоскости поляризатора. Поляризатор, используемый для обнаружения поляризованности световой волны, называется анализатором. Если на пути плоско поляризованного света поставить анализатор и вращать его в вертикальной плоскости относительно оси, проходящей через луч, можно видеть, что интенсивность света, проходящего через анализатор, будет меняться в интервале от нуля до максимального значения. Покажем, что это так. Пусть плоско поляризованная световая волна, описываемая уравнением , падает на поляризатор. Вектор напряженности электрического поля с амплитудой колеблется в плоскости, составляющей угол j с плоскостью поляризатора (луч света перпендикулярен плоскости чертежа, рис.3).

Рис.3

Интенсивность поляризованного света, падающего на поляризатор, пропорциональна квадрату амплитуды световой волны: . Чтобы найти интенсивность света, пропущенного через поляризатор, разложим колеблющийся вектор напряженности на две синфазно колеблющиеся компоненты с амплитудами: , . Поляризатор полностью пропустит свет с амплитудой и полностью задержит с амплитудой .

Интенсивность пропущенного света I пропорциональна квадрату амплитуды , . Соотношение выражает закон Малюса: интенсивность света I, проходящего через поляризатор, равна интенсивности I₀ падающего поляризованного света, умноженной на квадрат косинуса угла j между плоскостью, в которой колеблется вектор падающего света, и плоскостью поляризатора.

Получить плоско поляризованный свет из естественного можно очень простым способом. Опыт показывает, что при отражении от поверхности диэлектриков, а также при преломлении естественный свет становится частично поляризованным (кроме поляризованной, имеется и естественная составляющая). Мерой поляризованности при этом является степень поляризации, равная отношению интенсивности поляризованной составляющей к полной интенсивности падающего света. Оказывается, что степень поляризации зависит от угла падения. Согласно закону Брюстера, свет, отраженный от диэлектрика, полностью плоскополяризован, если тангенс угла падения равен относительному показателю преломления диэлектрика: ( - угол Брюстера). Степень поляризации преломленного луча при этом максимальна, но он поляризован частично. Колебания векторов и отраженного и преломленного лучей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.4).

Рис.4

Следует отметить, что при падении света под углом Брюстера угол между отраженным и преломленным лучами составляет 90⁰.

На основе закона Брюстера основано действие стопы Столетова, т.е. набора параллельно установленных стеклянных пластинок, укрепленных в оправе. Естественный свет, проходя через эти пластинки, все больше и больше увеличивает степень поляризации, благодаря чему стопа Столетова используется как поляризатор.

Полностью поляризованный свет можно получить, пропуская естественный свет через вещества, обладающие двойным преломлением (кварц, исландский шпат и др.). Явление двойного лучепреломления заключается в разделении естественного или поляризованного света через анизотропные кристаллы. Один из лучей называется обыкновенным, другой -- необыкновенным (рис.5).

Рис.5

Обыкновенный луч удовлетворяет закону преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к границе раздела. Для необыкновенного луча отношение синуса угла падения к синусу угла преломления зависит от угла падения. Даже при нормальном падении света необыкновенный луч преломляется и в общем случае не лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью. Обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются в кристалле с разными скоростями, т.е. показатели преломления кристалла для этих лучей и -- различны. В кристалле есть направление, распространяясь вдоль которого лучи не испытывают двойного лучепреломления. Это направление называется оптической осью кристалла. Кристаллы бывают одноосными и двуосными: у последних имеется две оптические оси. При распространении вдоль оси свет не меняет своей поляризации. Естественный свет, например, после выхода из кристалла остается естественным. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось и луч, называется главным сечением кристалла. С помощью поляризатора легко убедиться, что обыкновенный и необыкновенный лучи поляризованы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. При этом обыкновенный луч поляризован в плоскости, перпендикулярной главному сечению кристалла, а необыкновенный -- в плоскости главного сечения. Некоторые из кристаллов обладают дихроизмом, т.е. способностью сильно поглощать один из лучей (обыкновенный или необыкновенный). На этом принципе основано действие поляризаторов света, так называемых поляроидов. Поляроид представляет собой тонкую геллулоидную пленку, в которую введено большое количество кристаллов хинина. Хинин пропускает только необыкновенные лучи и поглощает обыкновенные. Естественный свет, пропущенный через поляризатор, является полностью поляризованным.

Двойное лучепреломление света можно наблюдать не только пропуская свет через анизотропные кристаллы. Если в оптически изотропном веществе создать каким-либо образом искусственную анизотропию, то при пропускании света через это вещество будет иметь место двойное лучепреломление. Двойное лучепреломление возникает, например, при деформации изотропного вещества. Это явление называется фото упругостью.

При растяжении или сжатии изотропное тело приобретает свойства одноосного анизотропного кристалла, оптическая ось которого параллельна направлению деформации. Наблюдать фото упругость можно следующим образом: поместить пластинку из органического стекла между двумя поляризаторами, плоскости которых взаимно перпендикулярны. Если пропустить через такую систему свет, то он полностью гасится анализатором. Если же пластину подвергать деформации, свет через анализатор будет проходить вследствие возникающего в пластине двойного лучепреломления. В случае неоднородной деформации проходящий свет будет неодинаково в разных точках освещать экран. Явление фото упругости широко используется для изучения деформаций и расчета опор напряжений в различных инженерных сооружениях.

Работа выполняется на оптической скамье с осветителем (источником света), экраном и набором рейтеров для закрепления поляроидов, стопы Столетова, кристалла исландского шпата, балки из органического стекла, фотоприемника с микроамперметром и оправы с лимбом, в которой закреплена стеклянная пластина. В комплект установки входит также оптический квантовый генератор (лазер).

Задание 1

На оптической скамье устанавливаются осветитель (источник света), два поляризатора (поляроиды), линза и экран. Вращая один из поляризаторов вокруг оптической оси установки, заметить изменение освещенности экрана. При повороте поляроида на 360 относительно первоначального положения светлое пятно на экране должно дважды погаснуть. Описать наблюдения в отчете и объяснить явление.

Задание 2

После выполнения задания 1 один из поляроидов заменяют стопой Столетова. Вращая поляроид или стопу Столетова вокруг оптической оси, заметить изменение освещенности экрана, что говорит о поляризующем действии стопы Столетова. Описать наблюдаемое явление и объяснить, почему при вращении стопы Столетова не наблюдается полного гашения света.

Задание 3

Между осветителем (источником света) и экраном установить оправу с кристаллом исландского шпата и линзу. Перемещением кристалла и линзы добиться получения на экране двух ярко освещенных пятен. Наблюдаемое явление называется двойным лучепреломлением. Одно из пятен связано с обыкновенным, а другое - с необыкновенным лучами. Установить между линзой и экраном поляризатор. Вращая поляризатор, добиться гашения одного, а затем и другого луча. Отметить, что одновременного гашения обоих лучей не происходит. Описать наблюдаемые явления и объяснить причину и условия гашения обыкновенного и необыкновенного лучей.

Задание 4

Для наблюдения фото упругости установить осветитель, поляроид и балку из органического стекла в металлической рамке с винтом, второй поляроид, линзу и экран. Перемещая балку и линзу, получить на экране резкое изображение балки. Вращая поляроиды, добиться полного затемнения поля вокруг изображения балки. Медленно вращая винт, сдавить балку и вызвать в ней напряжения, которые обнаруживаются в виде темных и светлых полос неправильной формы, пересекающих изображение балки. Повторить опыт с другими моделями из органического стекла. Зарисовать распределение напряжений при деформации. Обратить внимание на остаточные деформации внутри органического стекла после прекращения действия нагрузки.

Задание 5

С помощью преподавателя или лаборанта включить оптический квантовый генератор (лазер). Обращаем внимание на то, что попадание в глаза прямого лазерного пучка опасно для зрения. При работе с лазером его излучение можно наблюдать только после отражения от рассеивающих поверхностей. Между лазером и экраном установить поляроид с лимбом так, чтобы луч лазера проходил через центр поляроида. Вращая поляроид вокруг оптической оси, наблюдать изменения интенсивности светового пятна на экране, что говорит о линейной поляризации лазерного излучения. Между поляроидом и экраном установить фотоприемник с микроамперметром так, чтобы излучение лазера попадало в объектив фотоприемника. Вращая поляризатор, добиться максимального показания микроамперметра . Это соответствует параллельности плоскости поляризации лазерного излучения и плоскости поляризатора (т.е. углу между этими плоскостями). Поворачивая поляризатор от 0⁰ до 360⁰ (через 10⁰), исследовать зависимость фототока от угла между плоскостями лазерного поляризованного излучения и поляризатора. На основании результатов измерения построить график зависимости фототока от угла между указанными плоскостями (в полярных координатах). Объяснить особенности этого графика в соответствии с законом Малюса.