Порядок теоретической подготовки к выполнению работы.

Изучить и законспектировать в тетрадь ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Какой свет называется естественным, линейно поляризованным, частично поляризованным?

2.Дайте понятия степени поляризации, коэффициента отражения светового потока.

3.Каковы особенности отражения и преломления света на границе двух диэлектриков?

4.Запишите формулы Френеля и начертите зависимости коэффициентов отражения световых потоков разной поляризации от угла падения.

5. Сформулируйте закон Брюстера, объясните его физический смысл.

6. Начертите отраженный и преломленный лучи и укажите их поляризации при падении на границу раздела под углом Брюстера линейно поляризованных и естественных световых лучей.

Цель работы:

1. Исследовать процесс отражения и преломления света на границе двух диэлектриков.

2.Исследовать зависимость коэффициента отражения от угла падения и поляризации падающего света.

3.Определить угол Брюстера для границы раздела двух диэлектриков.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Состояние поляризации является одной из основных характеристик светового потока. Электромагнитные волныr поперечны. Этоr значит, что векторы

напряженности электрического E и магнитного H полей колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Рис.1.

Векторы Er, Hr и скорость распространения волны Vr взаимно перпендикулярны и составляют правовинтовую систему (рис.1.).

Если заданы направлениеr распространения волныr и направление одного из векторов, например E , то направлениеr r другого ( H ) определяется однозначно. Однако крест векторов E и H может быть произвольноr ориентирован

относительно направления распространения волны V .

Термин "поляризация" характеризует асимметрию электромагнитного поля относительно направлений распространения светового потока.

Различают три типа поляризации - линейную, эллиптическую и круговую (циркулярную).

Свет называется линейно поляризованным, если направление колебаний электрического вектора (соответственно, магнитного) фиксировано в пространстве и не изменяется с течением времени. Графически линейно поляризованный свет можно представить так:

Здесь стрелка указывает направлениеr светового потока, черточки -

направление колебаний вектора E в плоскости чертежа, точки - перпендикулярно плоскости чертежа.

Световой луч, в котором представлены колебания всех направлений, но имеется какое-то преимущественное направление, называется частично

поляризованным.

В случае эллиптической и круговой поляризации конец вектора Er с течением времени описывает в пространстве кривую, проекция которой на плоскость, перпендикулярную направлению распространения волны представляет собой эллипс или окружность.

Неполяризованный свет называется естественным. Естественный свет статистически симметричен в плоскости, перпендикулярнойr направлению

распространения, т.е. все направления колебаний вектора E равновероятны. Естественный световой поток можно разделить на два любых линейно поляризованных потока равной интенсивностиr с ортогональными

направлениями колебаний вектора E . Указанные световые потоки некогерентные, т.е. разность фаз за время измерения изменяется случайным образом.

Графическое представление естественного света:

Согласно как классической электродинамике, так и квантовой механике, излучение, испускаемое атомами (молекулами) поляризовано. Однако, вследствие хаотической ориентации элементарных излучателей, излучение макроскопических источников света обычно неполяризовано. При определенной ориентации элементарных излучателей, например, в электрических либо магнитных полях можно получить поляризованное излучение. Лазерное излучение тоже, как правило, поляризовано.

Естественное (неполяризованное) излучение обычных источников может становиться поляризованным при взаимодействии с веществом (отражение, преломление, поглощение). Оптическое устройство, преобразующее проходящий через него (отражающийся от него) естественный свет в поляризованный, называется поляризатором.

Принцип действия линейного поляризатора состоит в том ,что он разделяет пучок естественного света на две ортогональные линейно поляризованные компоненты пропускает одну компоненту и поглощает или отклоняет другую. Поляризатор может использоваться также для анализа состояния поляризации светового потока. В этом случае его называют анализатором.

Можно выделить три физических явления, на которых основано действие всех наиболее часто встречающихся поляризаторов:

1. Поляризация света при отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектриков.

2.Двойное лучепреломление в анизотропных средах.

3.Дихроизм поглощения света.

В данной работе подробно изучается первое из этих явлений. При отражении естественного света от границы раздела двух диэлектриков (например, воздухстекло) отраженный и преломленный лучи частично поляризуются (рис.2).

Рис.2.

Частично поляризованный свет можно рассматривать, как смесь естественного света с линейно поляризованным. Для его характеристики вводят понятие

степени поляризации ∆:

∆= Imax − Imin , (1) Imax + Imin

где Imax и Imin - максимальная и минимальная интенсивности частично

поляризованного света.

В отраженном луче преобладают колебания электрического вектора, перпендикулярные плоскости падения (на рис.2 направление этих колебаний обозначено точками). В преломленном луче преобладают колебания, параллельные плоскости падения (на рис.2 они изображены черточками). Степень поляризации отраженного и преломленного лучей зависит от угла падения. Отношение потока энергии отраженной волны к потоку энергии волны, падающей на поверхность раздела двух сред, является величиной безразмерной и называется коэффициентом отражения R . Объяснить поляризацию света при отражении от диэлектриков можно на основании формул Френеля. Эти формулы вытекают из уравнений Максвелла и условий, налагаемых на электромагнитное поле на границе двух диэлектриков. К числу такихr rусловий принадлежит равенство тангенциальных составляющих векторов

E и H , а также равенствоr нормальныхr составляющих векторов электрической и магнитной индукции D и B по обе стороны границы раздела диэлектриков. Свойства среды при этом задаются ее показателем преломления или диэлектрической проницаемостью.

Формулы Френеля имеют следующий вид:

RΙΙ = tg 2 (α − β ) , (2) tg 2 (α + β )

где RΙΙ - коэффициент отражения световой волны, в которой электрический вектор параллелен плоскости падения ; R - коэффициент отражения световой

волны , в которой электрический вектор перпендикулярен плоскости падения; α - угол падения света, β - угол преломления.

Степень поляризации отраженного луча на границе раздела диэлектриков можно представить как

где I и IΙΙ - интенсивности составляющих светового потока с направлениями

колебаний вектора Er перпендикулярными и параллельными плоскости падения, Io - интенсивность падающего естественного света.

Зависимость коэффициентов отражения R и RΙΙ от угла падения представлена на рис.3.

Рис.3.

Анализ рисунка показывает, что при α = 0° и α = 90° , RΙΙ = R . Tо есть, при

падении естественного света на границу раздела под этими углами отраженный световой поток будет неполяризованным. При углах падения 0° < α < 90° R > RΙΙ , т.е. в отраженном световом потоке будут преобладать колебания

электрического вектора, перпендикулярные плоскости падения. Причем, существует такой угол падения αБр , при котором отраженный световой поток

будет полностью поляризован, то есть RΙΙ =0 , R ≠ 0 . Значение этого угла можно найти, воспользовавшись соотношением (2) и законом преломления:

tgαБр = n21 = n2 . (4) n1

Формула (4) называется законом Брюстера, а угол αБр - углом полной

поляризации или углом Брюстера. Легко убедиться в том, что при падении света под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Если первой средой служит воздух или вакуум ( n1 =1 ), то

tgαБр =n2 = ε2 , (5)

где ε 2 - диэлектрическая проницаемость второй среды.

Если на границу раздела двух диэлектриков под углом Брюстера падает луч, в котором колебания электрического вектора происходят в плоскости падения ,то он целиком преломится во вторую среду (рис.4.а). При падении под тем же углом луча, в котором электрический вектор перпендикулярен плоскости падения, происходит частичное отражение и частичное преломление его (рис.4.б). Если под этим же углом падает естественный луч, то отраженный луч будет поляризован полностью ( RΙΙ =0 , R ≠ 0 ), а преломленный будет

поляризован частично (рис.4.в).

Рис. 4.

Полную поляризацию преломленного луча можно получить с помощью стопы Столетова, представляющей собой совокупность параллельных пластинок, на которые свет падает под углом Брюстера. В результате многократных преломлений выходящий из стопы луч практически полностью поляризуется. Электрический вектор в нем колеблется в плоскости падения.

Отражение светового потока от диэлектрических зеркал, расположенных под углом Брюстера, используется для поляризации излучения гелий-неонового лазера. ( Подробно этот процесс рассмотрен в лабораторной работе № 322).

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА

1) Используя клавиши «←» и «→», войдите в пункт меню "Данные", выберите два диэлектрика, соблюдая следующее условие: показатель преломления первого диэлектрика должен быть меньше, чем у второго (выбор осуществляется клавишами «↑» и «↓» с подтверждением клавишей "Ввод").

2) Введите угол падения луча 1° . После нажатия клавиши "ввод", на экране появятся соответствующие заданным условиям значения коэффициентов отражения R , R , RΙΙ . Занесите полученные данные в таблицу 1.

Повторите опыт для других углов падения (10°, 20° ,30° и т.д. до 90°), подтверждая переход к следующему углу командой "продолжить".

3) Заполнив таблицу, используйте команду "закончить", и клавишами «←» и «→» войдите в подраздел меню "График" (подтверждение клавишей "ввод"). По полученным данным компьютер построит графики зависимости величин R , R , RΙΙ и ∆от угла паденияα .

4) Исследуйте полученные графики. Для этого передвигая клавишами «←» и «→» стрелку вдоль оси α , анализируйте соответствующие различным углам падения значения коэффициентов отражения R , RΙΙ и ∆. Определите угол

Брюстера (угол, при котором отраженный свет полностью поляризован).

5)Запишите в таблицу 1 значения всех коэффициентов для угла Брюстера. Зарисуйте соответствующий этому углу ход лучей и полученные графики.

6)Проверьте закон Брюстера tgαБр = n21.

7)Через "выход " в меню перейдите к опыту с другой парой диэлектриков, нарисовав еще раз таблицу 1 и повторив пункты 1-6.

ПРИМЕЧАНИЯ:

1) в разделе меню "Инфо" кратко описан порядок проведения опыта; 2) программа также предусматривает использование "мыши", в этом случае работа с программой носит иной характер, чем приведенный здесь. В любом случае, использование "мыши" только упрощает работу с программой и дополнительного описания не требуется.