Физика-на май 2014-часть 2-бакалавр / Материалы комплекса / Лабораторные работы / Лаб. работы, 2 часть / Лаб. раб. по оптике_9-ВО

101

Волновая оптика

Лабораторная работа № 9-ВО

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА МАЛЮСА

Цель работы: изучение явления поляризации света, ознакомление с методами получения плоскополяризованного света, экспериментальная проверка закона Малюса и определение степени поляризации излучения лазера.

Приборы: установка ЛКО – 5

Методические указания по организации самостоятельной работы

1. Изучить теоретический материал по лекциям и учебнику [4: гл.4 стр.292 – 301, 1, 3].

2. Подготовить конспект выполняемой работы [2].

3. Подготовить ответы на вопросы к допуску и защите лабораторной работы:

1. Что представляет собой световая волна с точки зрения электромагнитной теории?

2. Какой свет является естественным, поляризованным, плоскополяризованным, частично поляризованным?

3. В чем состоит явление двойного лучепреломления. Какой луч и почему называется обыкновенным, необыкновенным? Как они поляризованы?

4. В чем состоит явление дихроизма?

5. Что собой представляют и как называются устройства, служащие для получения и анализа плоскополяризованного света?

6. Сформулируйте закон Малюса.

7. Сформулируйте закон Брюстера.

8. Что такое степень поляризации излучения?

9. Изложите методику измерений и порядок выполнения работы.

Теория метода и описание установки

Согласно электромагнитной теории Максвелла свет представляет собою поперечную электромагнитную волну. Это означает, что в каждой точке, через которую проходит световая волна, характеризующие ее векторы напряженности электрического и магнитного полей, оставаясь взаимно перпендикулярными, колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, т.е. вектору скорости (рис. 9.1).

Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое и другие свойства света вызываются колебаниями электрического вектора , который называют световым вектором.

С

Е

V

вет, распространяющийся от источника, представляет собой суммарное электромагнитное излучение его атомов. Процесс излучения отдельного атома продолжается около 10^-8 с.

Р

Н

ис. 9.1.

Атомы излучают электромагнитные волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая источником в целом, характеризуется всевозможными равновероятными направлениями колебаний вектора (). Такой свет называется естественным (рис. 9.2, а).

Свет, в котором векторы упорядочены каким-либо образом, называется поляризованным. Свет, в котором вектор колеблется в определенной плоскости, называется плоскополяризованным, а сама плоскость – плоскостью колебаний (рис. 9.2, б, в, г).

Рис. 9.2

Явление поляризации заключается в выделении из естественного света волн с определенной ориентацией светового вектора. Преобразование естественного света в поляризованный происходит при отражении и преломлении на границе изотропных диэлектриков, при двойном лучепреломлении в кристаллах. Преломляясь в таком кристалле, световой луч разделяется на два линейно поляризованных луча со взаимно перпендикулярными направлениями колебаний вектора . Один из лучей называется обыкновенным и обозначается буквой о, второй необыкновенным и обозначается буквой е (рис. 9.3). В некоторых кристаллах один из лучей поглощается сильнее другого. Это явление называется дихроизмом. Сильным дихроизмом в видимых лучах обладает кристалл турма-

Рис. 9.3

лина и поляроид (целлулоидная пленка, в которую введено большое количество одинаково ориентированных кристалликов сульфата йодистого хинина). Приборы, служащие для получения плоскополяризованного света из естественного, называются поляризаторами. Эти же приборы можно использовать и для анализа поляризованного света, тогда они выступают в роли анализаторов.

В работе рассматривается изменение интенсивности света, вышедшего из анализатора, в зависимости от угла между плоскостями пропускания анализатора и поляризатора.

Расположим друг за другом две пластины турмалина Т₁ и Т₂. вырезанные параллельно оптической оси кристалла ОО, и направим естественный свет от источника перпендикулярно пластине T₁ (поляризатору) (рис. 9.4). Пластину Т₂ (анализатор) можно вращать вокруг направления луча. Обе эти пластины пропускают колебания светового вектора, направленные вдоль оси кристалла.

Рис. 9.4

Пусть Е_n – амплитуда световых колебаний, вышедших из пластины Т₁ и падающих на пластину Т₂, оптическая ось которой составляет с оптической осью T₁ угол . Разложим _n на компоненту Е_II вдоль оптической оси Т₂ и компоненту E_┴ в направлении, перпендикулярном этой оси. Е_II пройдет через Т₂, a Е_┴ полностью поглотится ею. Из рис. 9.4 видно, что .

Возведя в квадрат обе части равенства, получим

а так как интенсивность света I пропорциональна квадрату амплитуды светового вектора Е, то получим закон Малюса в виде

(9.1)

Где - интенсивность света, вышедшего из анализатора: – интенсивность света, вышедшего из поляризатора.

Порядок выполнения работы

Установка для изучения закона Малюса ЛКО-5 представлена на рис.9.5.

Рис. 9.5. Лабораторный оптический комплекс ЛКО-5

1. Лазер с длиной волны λ=632.8 нм.

2. Поляризатор в оправе (модуль 12).

3. Анализатор в оправе (модуль 10 с объектом 37).

4. Фотодатчик (модуль 13 с объектом 38).

5. Мультиметр для измерения малых фототоков, соединенный с фотодатчиком.

6. Оптическая скамья.

7. Регулировочные винты на лазере для горизонтальной юстировки.

8. Регулировочные винты на лазере для вертикальной юстировки.

9. Ручка блока питания установки.

Каркас установки состоит из двух боковин, стянутых оптической скамьей, состоящей из двух рельс. Оптическая ось установки расположена симметрично относительно оптической скамьи на высоте 45 мм от верхнего края рельс.

Излучатель 1 (лазер в держателе с 5 степенями свободы) установлен на оптической оси установки над оптической скамьей.

1. Настройка (юстировка) установки

Настройка заключается в совмещении лазерного луча и центров оптических элементов с оптической осью установки. Положение оптической оси после юстировки определяется положением центра окна фотодатчика 4, вставленного до упора в кронштейны поворотного стола.

1. Включите два выносных блока питания в сетевую розетку (один блок для питания лазерного источника света, а другой для питания мультиметра).

2. Установите максимальную яркость светового луча лазера поворотом ручки блока питания установки 9.

3. Установите на одном из выносных блоков питания выходное напряжение, равное 7.5 В, и подключите к нему мультиметр 5 (белый или красный провод – к гнезду «+», а синий или черный провод к гнезду «общ.»).

4. Установите на оптическую скамью в непосредственной близости от лазера фотодатчик 4 и подключите его к мультиметру 5. Синий провод подсоедините к клемме «COM», белый провод - к клемме «V,Ω, mA».

5. Установите переключатель пределов мультиметра в положение «DCA2000µA» и вращением регулировочных винтов 7 и 8 добейтесь максимума показаний мультиметра.

6. Переместите фотодатчик 4 вплотную к правой боковине установки и вращением регулировочных винтов 7 и 8 вновь добейтесь максимума показаний мультиметра.

7. Повторите операции по п.п.1.5-1.6 2-3 раза, пока в обоих положениях фотодатчика мультиметр не будет показывать максимальные значения фототока без подрегулировки винтами 7 и 8, после чего закрепите фотодатчик 4 у правой боковины установки.

Внимание: положение регулировочных винтов лазера далее не изменять до конца эксперимента.

Задание 1.

Определение степени поляризации поляризатора и лазерного излучения

1. Установите фотодатчик 4 и подключите его к мультиметру 5.

2. Установите сразу после излучателя поляризатор 2 в кассете поворотного держателя. Подберите ориентацию поляризатора по максимуму показаний мультиметра.

3. Установите перед фотодатчиком 4 анализатор 3 в поворотном держателе.

4. Подбирая ориентацию анализатора, зафиксируйте минимальное I_мин и максимальное I_макс показания мультиметра.

5. Перекройте рукой пучок излучения и зафиксируйте фоновый отсчет I_фон

6. Степень поляризации определите по формуле:

7. Снимите поляризатор 2 и повторите измерения аналогично п. 4-6

8. Степень поляризации излучения лазера определите по формуле:

Задание 2.

Экспериментальная проверка закона Малюса

1. Установите принадлежности ЛКО-5 согласно рис.9.5, оставив поляризатор в положении п.2 задания 1.

2. Включите лазер 1. Вращая анализатор 3, добейтесь максимального показателя мультиметра. Примите за 0 получившееся при этом положении показание шкалы.

3. Вращая анализатор 3 от 0 до 90° через каждые 10°, измерьте фототок I_np.

4. Занесите полученные результаты в таблицу, составленную по форме 9.1.

5. Аналогичные измерения проведите при уменьшении угла от 90° до 0° и измерьте I_обр.

6. Рассчитайте для каждого угла

7. Постройте график зависимости

№ п/п	α	cos α	cos2 α	Iпр	Iобр
1	0°
2	10°
3	20°
	…
4	90°

Форма 9.1

К началу

На следующую страницу

К оглавлению

К титулу

3

6

1.4

02

08

06

05

4