metod_uk_4sem / Мет. 66

Шамбулина, В.Н. Изучение поляризованного света полупроводникового лазера. Угол Брюстера. Закон Малюса. [Текст]: метод. указания/ В.Н. Шамбулина. – Ухта: УГТУ, 2011. – 15 с.: ил.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы по физике по теме «Поляризация света» для студентов, обучающихся по всем техническим направлениям.

Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой физики от 7.11.11г., пр. № 8.

Содержание методических указаний соответствует рабочей учебной программе.

Рецензент: Серов И.К., доцент кафедры физики Ухтинского государственного технического университета.

Редактор: Северова Н.А., доцент кафедры физики Ухтинского государственного технического университета.

В методических указаниях учтены предложения рецензента и редактора.

План 2011г., позиция 63. Подписано в печать 16.12.2011.

Компьютерный набор Сивенкова А. гр. ИСТ-05.

Ухтинский государственный технический университет, 2011 169300, г.Ухта, ул.Первомайская, 13.

Отдел оперативной полиграфии УГТУ. 169300, г.Ухта, ул.Октябрьская, 13.

2

Изучение поляризованного света полупроводникового лазера. Угол Брюстера. Закон Малюса

Цель работы: в работе изучается поляризованный свет полупроводникового лазера. Определяются разрешенные направления поляроидов. Находится угол Брюстера при падении лазерного света на стеклянную пластинку. Определяется коэффициент преломления стекла. Проверяется справедливость закона Малюса.

Принадлежности: полупроводниковый лазер, излучающий в видимом диапазоне длин волн равных 670нм, красный и мощность излучения 1 мВт, направляющая, набор рейтеров, подставка, стеклянная пластина во вращающейся оправе с измерителем угла, экран для наблюдения с магнитами для крепления бумаги, фотоприемное устройство с измерителем мощности лазерного излучения и цифровым отсчетом.

Краткая теория

Спонтанное и индуцированное излучение

Свет представляет собой электромагнитные волны с длинами волн от 400 до 780 нм. Световые волны, а с точки зрения квантовой природы излучения - фотоны с энергией ε = hν, испускаются атомами вещества при переходе их из возбужденных состоянии в более низко энергетические состояния (рис. 1, а). При этом состояние с энергией E1 принимается за основное. Его энергия является наименьшей из всех возможных. Е 2 и т.д. - энергии возбужденных состояний.

Рис. 1.Спонтанное (а) и вынужденное (б) излучения

Возбудить атом, т.е. сообщить ему добавочную энергию, можно нагреванием, облучением светом и другими воздействиями. В возбужденном состоянии атом находится короткий промежуток времени, после чего самопроизвольно возвращается в основное состояние. С позиции волновой теории атом при таких переходах испускает «цуг» электромагнитной волны (в квантовой теории - фотон). Это процесс спонтанного излучения. Частота колебаний в цуге связана со значениями энергий атома E1 и Е 2 формулой Планка:

3

Естественный и поляризованный свет

Из электромагнитной теории света следует, что световая волна попе-

речна, т.е. три вектора, характеризующую волну, - напряженность Е элек-

волны - взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую систему. Век-

Поляризация света - это: 1) свойство света, проявляющееся в про- странственно-временной упорядоченности ориентации электрического и магнитного векторов; 2) процесс получения поляризованного света.

Оптические явления обусловлены действием, главным образом, вектора

Е , который обычно называют световым.

Опыт показывает, что физиологическое и фотоэлектрическое действие

света определяется частотой колебаний вектора Е и интенсивностью I света,

Естественный свет, излучаемый всеми источниками, за исключением лазеров, представляет собой совокупность световых волн со всевозможными

ние вектора Е естественного света в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны.

Поляризованный свет - это свет, у которого направления колебаний

естественном свете.

Рис. 2. Поляризованный (а) и неполяризованный (б) свет

Свет называется линейно поляризованным, если вектор Е в нем колеблется в одном определенном направлении, перпендикулярном скорости распространения волны (рис. 2,а). Из него видно, что во всех точках вдоль луча, колеба-

ния светового вектора Е происходят в одной и той же плоскости, проходя-

5

щей через луч и не меняющей своего положения в пространстве. Эта плос-

кость носит название плоскости колебаний электрического вектора Е или

плоскость поляризации.

Естественный свет состоит из большого количества волновых цугов, каждый из которых линейно поляризован. Но плоскости поляризации всех цугов ориентированы произвольно из-за несогласованного излучения атомов, поэтому естественный свет в целом является неполяризованным (рис. 2,б).

Линейно поляризованный свет можно получить, пропуская естественный свет через специальное устройство – поляризатор (например, пластинку турмалина), который пропускает волны с одним определенным направлением ко-

лебаний вектора Е (ось пропускания поляризатора). В таких пластинках свет сильно поглощает лучи, в которых электрический вектор перпендикулярен оси, то такие лучи проходят через пластинку почти без поглощения (дихроичные вещества).

Для выделения линейно поляризованного света на практике используют поляроиды. Поляроид - пленка, в которую вкраплен ультрамикрокристаллик дихроичного вещества. Пленка действует как один кристалл и поглощает световые колебания, электрический вектор которых перпендикулярен к оптической оси. Часто поляроидом служит, например, целлулоидная или желатиновая пленка, в которую вкраплен ультрамикрокристаллик герапатита - соединение йода с хинином. Пленка помещается между двумя тонкими пластинками стекла.

Всякий прибор, служащий для получения поляризованного света, называется поляризатором. Тот же прибор, применяемый для исследования по-ляризованного света, называется анализатором.

Лазерное излучение, в отличие от естественного, является линейно поляризованным сразу на выходе из резонатора с высокой степенью поляризации. Степенью поляризации называется величина:

где Imax и Imin -максимальная и минимальная интенсивности света. Для естественного света – Imax = I min и Р = 0. Для лазерного света Imin = 0, а Р=1.

Закон Брюстера

Изучение поляризованного света осуществляется на экспериментальной установке, ход лучей в которой представлен на рис. 3. Излучение полупроводникового лазера падает под углом i на стеклянную пластинку П. Большая часть света проходит через пластинку. Небольшая часть света отражается от

6

Экран

Ex=E1

Пластина

ЛАЗЕР

пластинки и падает на экран. На экране хорошо видно пятно отраженного луча лазера. Между пластиной и экраном наблюдения ставится поляроид. Поляроид может вращаться вокруг отраженного от плоскости лазерного луча.

Степень поляризации отраженного и преломленного света зависит от угла падения естественного света на границу раздела изотропных диэлектриков и показателя преломления. Брюстер установил закон:

где n21 - показатель преломления второй среды относительно первой. Отраженный луч является плоско-поляризованным (содержит только ко-

лебания, перпендикулярные плоскости падения) преломленный луч при угле падения iБ поляризуется максимально, но не полностью (рис.4).

Закон Малюса

Если линейно поляризованный свет падает на поляризатор П (рис. 5) и

направление колебаний вектора Е составляет с осью пропускания поляризатора ОО' угол α, то составляющая Е┴ светового вектора поглощается поляризатором, а составляющая Е║ полностью проходит через него. В этом случае поляризатор называют анализатором, потому что вращением его вокруг

7

направления светового луча можно выяснить, поляризован свет или нет и определить вид поляризации.

Рис. 5. Схема прохождения линейно поляризованного света через анализа-

тор.

Амплитуда Е║ световых колебаний, прошедших через анализатор, бу-

дет меньше амплитуды Е колебаний, падающих на него:

Е║ = Ecosα.

Интенсивность света I пропорциональна Е2. Возведем в квадрат обе части этого равенства и перейдем к интенсивностям:

Е║2 = E2cоs2α,

где I - интенсивность света, прошедшего через анализатор, I0 - интенсивность падающего на анализатор света.

Это соотношение (4) называется законом Малюса.

В опыте излучение лазера, прошедшее поляроид и анализатор, попадает на фотоприемное устройство. Сигнал на выходе из фотоприемного устройства пропорционален интенсивности световой волны и это позволяет проверить зависимость интенсивности излучения на выходе анализатора от угла между разрешенными направлениями поляроидов

Описание установки и методика измерений

На рисунке 3 показан общий вид установки. Она собрана на направляющей (оптической скамье) (рис. 6) с отверстиями, в которые помещаются рейтеры.

8

Рис. 6 Направляющая

В рейтерах соответствующим образом на стойках в дисковых оправах укрепляются: поляризатор (П), анализатор (А) с круглой шкалой, линза (Л), фотоприемное устройство (ФП).

Поляризатор и анализатор можно вращать вокруг оси, проходящей вдоль луча, меняя тем самым интенсивность прошедшего света, а, следовательно, и фототок Iф .

Источником света служит полупроводниковый лазер красный ( =650 нм) с мощностью излучения 1 мВт. Свет регистрируется фотоприемным устройством (ФП) с измерителем мощности лазерного излучения и цифровым отсчетом.

Выполнение работы

Задание №1. Визуальное наблюдение за яркостью пятна на экране

Рис. 7

1. Соберите схему согласно рис.7. Для этого лазер в оправе и на рейтере ставится в положение 1 направляющей 4 (см. рис. 6), линза 2 в оправе и на рейтере ставится в положение 3 направляющей. Экран наблюдения Э помещается на направляющей в положение 7. На экране закрепляется лист бумаги для зарисовки. Включите лазер. На экране видно лазерное пятно. Откройте стопорный винт в

9

оправе, которая держит лазер. Поверните модуль лазера в оправе так, чтобы лазерное вытянутое пятно на экране наблюдения приняло положение близкое к 45° по отношению к лабораторному столу. Карандашом зарисуйте положение освещенной области на экране. Снимите бумагу с экрана.

Задание №1. Нахождение угла Брюстера при падении лазерного света на стеклянную пластинку и определение показателя преломления стекла.

Рис.8. Общая схема установки по изучению поляризованного света полупроводникового лазера.

1.Лазер; 2. Стеклянная пластина П; 3. Поляроид Р1; 4. Экран наблюдения;

5.Поляроид Р2; 6. Фотоприемное устройство.

1.Положение лазера оставьте неизменным. Снимите с направляющей линзу и экран.

2.Соберите схему согласно рисунку 8. В положение 4 направляющей поместите стеклянную пластину П во вращающейся оправе на рейтере. Отраженный от пластины лазерный луч направьте на лазерный модуль. Подведите отраженный луч как можно ближе к падающему лучу. Запишите показания нониуса 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 подставку -вспомогательную небольшую

направляющую. Поставьте на ней поляроид P1 во вращающейся оправе на рейтере и экран 4 с закрепленным листом белой бумаги. Отраженный от стек-

10