Изучение явления поляризации света
Цель работы: ознакомление с поляризаторами света на примере стопы Столетова; определение степени поляризации частично поляризованного света.
Приборы и принадлежности: оптическая скамья, источник света, анализатор (стопа Столетова), конденсорная линза, набор стеклянных пластинок (стопа), фотодиод ФД-2, измерительный прибор.
Сведения из теории
В поляризованном свете такой симметрии нет. Поляризованным называется свет в котором направление колебаний упорядочено каким-либо образом.
Для получения поляризованного света используют различные способы: отражение и преломление света на поверхности диэлектрика, прохождение света через поляризатор.
При отражении и преломлении света на границе раздела двух диэлектриков свет частично поляризуется. Преимущественное направление колебаний вектора Е в отраженной волне перпендикулярно плоскости падения, а в преломленной - расположено в плоскости падения. Доля поляризованного света зависит от угла падения и показателя преломления n. Д. Брюстер экспериментально установил, что максимальная поляризация достигается, когда отраженный луч перпендикулярен к преломленному. Легко показать, что это произойдет, если угол падения Б (угол Брюстера) удовлетворяет условию
(1)
При этом отраженный свет линейно поляризован перпендикулярно плоскости падения, а преломленный - поляризован частично, но степень поляризации его максимальна (закон Брюстера). Для увеличения степени поляризации прошедшего света используют несколько стеклянных пластинок (стопа Столетова).
Линейно поляризованный свет можно также получить, пропустив естественный свет через поляроид, который пропускает колебания электрического вектора только одного направления. Поляроиды представляют собой искусственно приготовленные коллоидные пленки, служащие для получения поляризованного света. Наиболее распространенным материалом для приготовления поляроидов является герапатит, представляющий собой соединение йода с хинином. Этот материал вводят в целлулоидную или желатиновую пленку. В ней кристаллы герапатита каким-либо способом (обычно механически) ориентируются своими осями в одном и том же направлении. Полученное вещество поглощает световые колебания одного из двух взаимно перпендикулярных направлений. Существуют и другие способы получения поляризованного света (например, используя явление двойного лучепреломления, рассеяния света).
Допустим, что два поляризатора поставлены друг за другом так что их оси О и О1 образуют некоторый угол (рис. 6). На первый поляризатор падает естественный свет интенсивности Iест, он пропускает колебания электрического вектора параллельные оси О амплитуда которых Е0 и интенсивность I0. Второй поляризатор (анализатор) пропускает колебания электрического вектора параллельные оси О1 амплитуда которых Е и интенсивность I. Разложим Е на вектор Е, параллельный оси О1 второго поляроида, и вектор Е, перпендикулярный к ней (рис. 7). Составляющая Е будет задержана вторым поляризатором. Через второй поляризатор пройдет свет с электрическим вектором Е, длина которого E=E0cos. Интенсивность света, прошедшего через второй поляроид будет
(2)
Соотношение (2) называется законом Малюса.
Для естественного света все значения угла между направлением колебаний электрического вектора и осью первого поляризатора равновероятны. Поэтому доля света, прошедшего через поляризатор будет равна среднему значению cos2, т.е. 1/2.
Таким образом интенсивность света, прошедшего через оба поляризатора, равна
(3)
Если пропустить частично поляризованный свет через поляризатор, то при вращении последнего вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет меняться в пределах Imax от до Imin Причем переход от Imax до Imin будет происходить плавно при повороте поляризатора на 90. Степенью поляризации называется величина, определяемая по формуле
(4)
В частности для естественного света Imax= Imin и P=0, а для плоско поляризованного света Imin=0 и P=1.