Методичка к лабораторным / Lab_3_08_new_Tech

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА. УГОЛ БРЮСТЕРА. ЗАКОН МАЛЮСА.

М.Ю.Липовская

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Цель работы состоит в изучении поляризованного света полупроводникового лазера и состояния поляризации света при отражении.

ЗАДАЧИ.

В процессе лабораторной работы необходимо проверить справедливость закона Малюса и определить показатель преломления стекла по измеренному значению угла Брюстера при отражении.

ВВЕДЕНИЕ.

Как известно, свет обладает дуальной природой и может проявлять себя как поток частиц (фотонов) или как волна. Это явление носит название корпускулярно- волнового дуализма. В рамках данной лабораторной работы изучаются свойства света как волны. При этом свет рассматривается как бегущая поперечная ортогональная электромагнитная волна, в которой колебания векторов Е и Н происходят синфазно, то есть, максимум напряженности электрического поля достигается одновременно с максимумом напряженности магнитного поля. В самом общем случае колебания векторов Е (и, соответственно, Н) происходят в электромагнитной волне хаотично, это означает, что значения амплитуды и разности фаз у компонент Ex и Eу, на которые можно разложить вектор электрического поля E электромагнитной волны, меняются случайным образом (волна распространяется вдоль оси z). Такой свет называется неполяризованным или естественно поляризованным. Если же колебания вектора Е (и, соответственно, Н) каким-то образом упорядочены в пространстве, то такая волна называется поляризованной. Волна является линейно поляризованной, или плоскополяризованной, если электрический вектор Е лежит все время в одной плоскости (причем эта плоскость называется плоскостью колебаний или плоскостью поляризации) и его конец описывает в пространстве прямую линию; волна является циркулярно поляризованной, если конец вектора Е описывает в пространстве окружность. Самый общий случай поляризации – эллиптическая поляризация, когда конец вектора Е описывает в пространстве эллипс. Явление поляризации отражает именно волновые свойства света.

Окружающие нас источники света (как правило, тепловые) дают

© Кафедра экспериментальной физики СПбГПУ, 2006

неполяризованный свет. Лазеры могут быть источниками как линейно поляризованного, так и неполяризованного света. Всякий прибор, служащий для получения поляризованного света, называется поляризатором. Тот же прибор, применяемый для исследования поляризованного света, называется анализатором.

Линейно поляризованный свет можно получить при его пропускании через пластинку из двулучепреломляющего кристалла (например, турмалина), вырезанную параллельно оптической оси. В таких пластинках сильно поглощаются лучи, в которых электрический вектор перпендикулярен к оптической оси. Если же электрический вектор параллелен оси, лучи проходят через пластинку почти без поглощения. Такие вещества называются дихроичными.

Также для получения линейно поляризованного света используются клеевые [1] и пленочные поляризаторы (поляроиды или поляроидные пленки). В поляроидную

пленку вкраплены одинаково ориентированные микрокристаллы дихроичного вещества. Пленка действует как один кристалл и поглощает световые колебания,

герапатита (сульфата йодистого хинина), помещенная между двумя тонкими стеклянными пластинками.

ЭКРАН

П1

П2

лазер ФП

П

Рис.1. Структурная схема установки по изучению поляризованного света полупроводникового лазера. ФП – фотоприемник, П1 и П2 – поляризаторы, П

– плоскопараллельная стеклянная пластина.

© Кафедра экспериментальной физики СПбГПУ, 2006

отраженную и преломленную волны [1,2], которые описываются формулами Френеля.

При падении на границу раздела двух сред плоской монохроматической волны частоты ω и амплитуды, отраженная и преломленная волны будут также плоские и той же частоты:

где k , k1′ k2 - волновые векторы падающей, отраженной и преломленной волн.

где φ и ψ – углы падения и преломления, соответственно, можно записать:

© Кафедра экспериментальной физики СПбГПУ, 2006

параллелен его оси пропускания ОА1. Обозначим через I0 интенсивность этого

ось пропускания ОА1 ось пропускания ОА2

Рис.5. Схема ориентировки поляризаторов при проверке закона Малюса

света. Разложим E0 на вектор E║,параллельный оси ОА2 второго поляроида, и вектор Е┴, перпендикулярный к ней (Е0 = E║ + Е┴). Составляющая Е┴ будет задержана вторым поляроидом. Через оба поляроида (см. рис.2) пройдет свет с электрическим вектором E = E║, длина которого Е =E0 Сos a. Интенсивность света, прошедшего через оба поляроида,

будет

Это соотношение называется законом Малюса. Если пучок линейно поляризованного света падает на одиночный поляризатор, то угол α – это угол между направлением

поляризации в падающем пучке и осью пропускания поляризатора.

В эксперименте линейно поляризованное излучение лазера проходит через анализатор и попадает на фотоприемное устройство. Сигнал на выходе фотоприемника пропорционален

интенсивности световой волны и это позволяет проверить зависимость интенсивности излучения на выходе анализатора от угла α между направлением поляризации в падающем пучке и осью пропускания анализатора.

УСТАНОВКА.

Установка для измерений представлена на рис.1. состоит из полупроводникового лазера, излучающего свет в видимом диапазоне длин волн (λ = 670 нм, мощность излучения ~ 15мВт), направляющей, набора рейтеров, стеклянной пластины П во вращающейся оправе с измерителем угла, экрана с магнитами для крепления бумаги, поляризатора П1 в неподвижной оправе, поляризатора П2 во

© Кафедра экспериментальной физики СПбГПУ, 2006

вращающейся оправе с угловой отсчетной шкалой, фотоприемноого устройства ФП с цифровым отсчетом, измеряющего мощность светового излучения. Установка в самом общем виде представлена на рис.1.

ИЗМЕРЕНИЯ.

Область генерации полупроводникового лазера представляет собой тонкую вытянутую щель. После прохождения специальной оптики, встроенной в лазерный модуль, область излучения на выходе лазера имеет вид вытянутого вдоль одной оси пятна, причем длина пятна в несколько раз больше его ширины. Это хорошо видно,

если расширить пучок лазера с помощью линзы или при наблюдении на большом (~1.5-2 метров) расстоянии. Лазерный модуль можно вращать в оправе, в которой он закреплен. Модуль выставляют так, чтобы большая полуось светящегося лазерного пятна составляла с горизонтальной плоскостью стола угол, близкий к 45°. В этом

положении лазерный модуль закрепляется.

После этого следует собрать схему согласно рис.1, не устанавливая перед поляризатором стеклянную пластину. При этом излучение лазера, пройдя через поляроид P2, должно попадать в центр фотоприемного устройства, которое измеряет мощность лазерного излучения.

Вращением поляроида P2 следует найти положение, при котором показания фотоприемника максимальны. Это значит, что направление вектора Е в падающем пучке совпадает с осью пропускания ОА2 поляризатора P2. В полупроводниковом лазере излучение является линейно поляризованнным. При этом направление колебаний вектора Е совпадает с большей полуосью излучающего пятна лазера. Устанавливая поляроид Р2 в положения, при котором интенсивность света на его выходе максимальна Imax и минимальна Imin, ( в отсутствие дополнительных источников света), можно оценить степень поляризации Р по формуле [2]:

Если учесть фоновую засветку фотоприемника, то есть интенсивность света, попадающего на фотоприемник при перекрытии лазерного пучка Iф, то формула преобразуется к виду:

Считая излучение лазера линейно поляризованным, по положению,

соответствующему максимуму интенсивности на выходе поляризатора П2, можно

© Кафедра экспериментальной физики СПбГПУ, 2006

определить плоскость колебания вектора E. При вращении поляроида изменяется угол между направлением вектора E в падающей волне и осью пропускания поляроида П2.

Измерение сигнала на фотоприемнике при вращении поляризатора позволяет проверить закон Малюса.

Для измерения угла Брюстера в схему, соответствующую рис.1, нужно установить стеклянную пластину. Отраженное от пластины П излучение лазера проходит поляроид П1 и попадает на экран. Ось пропускания поляризатора П1 лежит в плоскости падения луча на пластинку, то есть он не пропускает излучение, в котором направление вектора Е перпендикулярно плоскости падения. При вращении отражающей пластины П следует добиться минимальной яркости пятна на экране. Это будет означать, что выполняется условие, соответствующее углу Брюстера: направление поляризации ( вектора Е ) после отражения от пластинки ортогонально плоскости падения, то есть оси пропускания поляризатора. После этого измеряется угол Брюстера, по измеренному значению угла согласно (6) определяется коэффициент преломления стеклянной пластинки.

Измерения следует производить в следующей последовательности:

1.Ознакомьтесь с замечаниями по технике безопасности, помещенными в конце описания работы. Включите лазер. На расстоянии приблизительно 1.5-2 метра наблюдайте пятно лазерного излучения. Откройте стопорный винт в оправе, которая держит лазер. Поверните модуль лазера в оправе так, чтобы большая полуось пятна была направлена примерно под углом 45° по отношению к поверхности лабораторного стола.

2. Соберите схему согласно рис.1 без стеклянной пластинки. Включите фотоприемник. Излучение лазера направьте на измеритель, примерно в его центр. Добейтесь максимальных показаний прибора. Между

показаний фотоприемника. Получите максимальные показания прибора Imax.

Зафиксируйте и запишите значение соответствующего угла на оправе поляроида. Получите минимальное показание прибора, запишите значение соответствующего угла. Перекрыв лазерный луч, измерьте и запишите величину интенсивности фоновой засветки Iф. Произведите измерения интенсивности света, прошедшего через поляризатор через каждые 15о, вращая поляризатор от

© Кафедра экспериментальной физики СПбГПУ, 2006

0о (что соответствует максимальному значению интенсивности на фотоприемнике) до 360о. Результаты занесите в таблицу 1.

Таблица 1

4.Положение лазера оставьте неизменным. После лазера установите рейтер со стеклянной пластиной П во вращающейся оправе. Луч лазера должен приблизительно попадать в середину стеклянной пластины. Отраженный от пластины луч направьте обратно на лазерный модуль. Отраженный пучок

должен при этом попадать в пятно излучения или хотя бы находиться с ним на одной вертикали. Запишите показания угловой шкалы (угол β0) оправы пластинки П. Считайте это значение началом отсчета. Поверните оправу с пластинкой на угол, близкий к 50°. Пластину П поворачивают так, чтобы плоскость падения лазерного луча была горизонтальна. Установите вдоль

отраженного от пластинки П лазерного луча вспомогательную небольшую направляющую с поляроидом Р1 на рейтере и экраном с закрепленным листом белой бумаги. Отраженный от стеклянной пластины и прошедший сквозь поляроид Р1 свет наблюдайте на экране. После этого следует вращать стеклянную пластину вокруг вертикальной оси, одновременно перемещая направляющую с поляроидом и экраном, до тех пор, пока отраженный от пластины и прошедший поляризатор пучок либо совсем не пропадет, либо его интенсивность при наблюдении на экране станет минимальной. Это означает, что пластина установлена под углом Брюстера. Запишите значение угла β1 по угловой шкале, при котором яркость пятна на экране минимальна. Разность значений этих двух углов | β1 - β0 | соответствует углу Брюстера. Измерения проведите многократно (5-7 раз). Результаты измерений занесите в таблицу 2.

Таблица 2

© Кафедра экспериментальной физики СПбГПУ, 2006