Цель работы:

1. Изучить типы поляризации света и методы их описания.

2.Ознакомиться с методикой поляризационных измерений.

3.Провести анализ состояния поляризации лазерного излучения.

Порядок теоретической подготовки и выполнения работы:

I. Изучить и законспектировать в рабочую тетрадь следующие вопросы: 1. Типы поляризации света (линейная, эллиптическая, круговая);

2.Получение линейно-поляризованного света при отражении от диэлектрика;

3.Закон Брюстера;

4.Закон Малюса;

5.Сущность анализа состояния поляризаций светового потока;

6.Физические явления, приводящие к поляризации излучения лазера.

Литература:

1. Ландсберг Т. С. ."Оптика", М, 1976.

2.Яворский Б. И., Детлаф А.А., "Курс физики", Высшая школа, 1967, т. 3, §31,81,82.

3.Савельев И. В. "Курс общей физики". М., Наука, 1978, т. 2, стр. 419-430.

4.Методические указания к лабораторным работам по курсу общей физики. Часть III "Оптика", Минск, 1981.

II. Изучить на рабочем месте лабораторную установку и методику измерений.

III. Используя указания, имеющиеся в инструкции, выполнить работу, оформить протокол отчета, построить графики на миллиметровой бумаге. К зачету знать ответы на вопросы пункта I.

ВНИМАНИЕ!

При работе на установке необходимо строго соблюдать правила техники безопасности.

Категорически запрещается:

1. Перемещать лазер.

2.Отсоединять разъемы токоведущего кабеля.

3.Смотреть в выходное отверстие лазера.

ПОПАДАНИЕ В ГЛАЗА ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОПАСНО ДЛЯ ЗРЕНИЯ!

В случае эллиптической и круговой поляризации конец вектора Er с течением времени описывает в пространстве винтовую линию. Соответствующие проекционные картины имеют вид эллипса (рис.2б) и окружности (рис.2в). Неполяризованныйr свет называется естественным. Направление колебаний

вектора E в нем беспорядочно и беспрерывно меняется (рис.2г).

2. Получение линейно поляризованного света при отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектриков. Закон Брюстера.

При падении естественного света на границу раздела двух прозрачных диэлектриков возникают два луча - отраженный и преломленный, оба частично поляризованные (колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений). Частичная поляризация света количественно характеризуется степенью поляризации ∆:

∆= Imax − Imin , где Imax + Imin

Imax и Imin - максимальная и минимальная интенсивности света,

соответствующие двум ортогональным компонентам вектора Er. Степень поляризации отраженного и преломленного лучей зависит от угла падения. Отношение интенсивностей отраженной и падающей волн является величиной безразмерной и называется коэффициентом отражения R . Коэффициентr

отражения для составляющихr луча с направлениямиr колебаний вектора E , перпендикулярными ( E ) и параллельными ( EΙΙ ) плоскости падения также зависит от угла падения (рис.3).

При падении света под углом, определяемым из соотношения:

tgαБр = n21 (1)

коэффициент отражения для лучей с ErΙΙ равен нулю, и отраженный свет

содержит лишь составляющую с направлениями колебаний вектора Er, перпендикулярными плоскости падения, т.е. полностью линейно поляризован в этом направлении (рис.4). Угол αБр называется углом Брюстера, а соотношение

(1) - законом Брюстера.

В естественном падающем луче интенсивность колебаний различных направлений одинакова. Энергия этих колебаний распределяется между отраженной и преломленнойr волной. Поэтому если отраженный луч содержит

колебания вектора E , перпендикулярные плоскости падения, то в силу законаr

сохранения энергии в преломленном луче преобладают колебания вектора E , параллельные плоскости падения. Степень поляризации преломленного луча при угле Брюстера достигает наибольшего значения, однако, он остаетсяr

поляризованным лишь частично, т.к. в нем присутствуют и колебания с E . При угле падения αБр отраженный и преломленный лучи перпендикулярны.

3. Поляризаторы. Закон Малюса. Анализ состояния поляризации светового потока.

Оптическое устройство, преобразующее естественный свет в поляризованный, называется поляризатором. Принцип действия линейного поляризатора состоит в том, что он разделяет первоначальный пучок естественного света на две ортогональные линейно поляризованные компоненты, пропускает одну из них и поглощает или отклоняет другую. Направлениеr в поляризаторе, совпадающее

с направлением колебаний вектора E линейно поляризованного света, прошедшего поляризатор, является осью поляризатора. Поляризатор можно использовать и для анализа состояния поляризации светового потока. В этом случае его называют анализатором.

Рис. 5

Пусть на анализатор падает пучокr линейно поляризованного света (рис.5). Направление колебаний вектора Eo в падающем пучке составляет угол ϕ с осью анализатора OO1. После прохождения анализатора свет остается линейно поляризованным, но направление колебаний вектора Er изменится и будет

Резонатор образован сферическими зеркалами 3 с многослойным диэлектрическим покрытием. Такие зеркала имеют очень высокий коэффициент отражения в нужном спектральном интервале и почти не поглощают свет. Пропускание зеркала, через которое выводится излучение, составляет около 1-2%, другого - менее 1%, т. потери света при отражении минимальны.

Для получения стационарной генерации необходимо, чтобы усиление в активной среде компенсировало потери энергии светового излучения на пути, пройденном фотонами между двумя отражениями в резонаторе.

В предгенерационный период световой поток, обусловленный спонтанными переходами атомов Ne из возбужденного состояния в основное, неполяризован. При падении под углом Брюстера коэффициентr отражения от

кварцевой пластины для составляющей светового потока EΙΙ равен нулю, для составляющей Er отличен от нуля (см. рис. 3, 4, 6). Это приводит к тому, что энергетические потери на отражение от выходных окон трубки неодинаковыr

для составляющихr с различным направлением колебаний вектора E . Для составляющей EΙΙ они равны нулю. Энергетические потери характеризуются коэффициентом потерь Kпот.

Свет, прошедший кварцевые пластинкиr является частично поляризованным с преобладанием компоненты EΙΙ . Отражаясь от зеркал резонатора, он вновь

попадает в активную среду и усиливается. Необходимым условием возникновения генерации является равенство или превышение коэффициента усиления над коэффициентом потерь (зависимость этих величин от частоты излучения показана на рис.7).

Рис. 7

При многократных отражениях на частоте генерации для составляющей ErΙΙ коэффициент усиления превышает коэффициент потерь ( K ус > Kпот ), для

составляющей Er потери преобладают над усилением ( K ус < Kпот), см. рис. 7.

Поэтому в генерации развивается только одна поляризационная мода ErΙΙ .

При правильной юстировке оптических элементов выходное излучение лазера линейно поляризовано в плоскости падения луча на кварцевые пластины. Поворачивая трубку лазера со всеми ее элементами относительно оси, можно установить плоскость поляризации в различных направлениях.

5. Описание установки

Для анализа состояния поляризации излучения He − Ne лазера используется установка, схема которой изображена на рис. 8.

Рис. 8

1- квантовый генератор ЛГ-78;

2- поляроид (анализатор);

3- фотоприемник;

4- цифровой вольтметр.

Выходящий из лазера поляризованный монохроматический свет падает на фотодиод, преобразующий световую энергию в электрический ток.

Перед фотодиодом расположен поляроид, являющийся анализатором. Вращая поляроид относительно оси лазерного луча, можно пропускать составляющиеr

светового потока с различными направлениями колебаний вектора E . По показаниям вольтметра определяем напряжение, пропорциональное интенсивности света, пропущенного поляроидом.

8. На той же полярной сетке построить зависимость cos2 ϕ = f (ϕ)

- теоретической кривой, описываемой законом Малюса. 9. Сравнить оба графика.

10. По формуле

∆= Imax − Imin ·100% Imax + Imin

определить степень поляризации исследуемого излучения.

11. Определить, под каким углом к вертикальному направлению расположена плоскость колебаний лазерного излучения.