Vorobyev_Volnovaya_optika_Polyarizatsia

6. Установите перед фотодатчиком анализатор в поворотном держателе (модуль 12). Поворачивая анализатор вокруг оптической оси, убедитесь в том, что существуют минимальные Imin и максимальныеImax показания микроамперметра. Запишите их значения. Перекройте рукой пучок излучения и зафиксируйте фоновый отсчет Iфон .

7. Установите минимальное Imin значение показаний миллиамперметра, иными словами «скрестите» поляризаторы и запишите значение угла 1 по шкале анализатора.

8.Установите между поляризатором и анализатором кювету с раствором сахара. При этом показания миллиамперметра возрастут, или как говорят, поле «просветлится». Запишите показания миллиамперметра I .

9.Поворотом анализатора снова добейтесь минимальных показаний миллиамперметра. Запишите угол 2 , при котором достигается это мини-

мум. Повторите измерения не менее трёх раз. Все данные занесите в таблицу.

Таблица

C C C

41

5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-27 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА БРЮСТЕРА

Цели работы: изучение поляризации света при отражении от поверхности диэлектрика, определение угла Брюстера.

Приборы и принадлежности: лабораторный комплекс ЛКО-5.

Методика эксперимента

При наклонном падении света на поверхность диэлектрика коэффициент отражения R волн с поляризацией в плоскости падения отличается от коэффициента отражения волн с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения. На рис. 1. условно обозначены стрелками – колебания вектора E в плоскости падения, точками – перпендикулярно плоскости падения.

Рис. 1

На рис. 2 приведены графики зависимостей коэффициентов отражения от угла падения. Существует угол падения, называемый углом Брюстера iБр , при котором R 0, т.е. волна с поляризацией в плоскости падения во-

обще не отражается. Это случается, когда отраженный и преломлённый лучи ортогональны. Рассматривая отражённую волну как результат излучения дипольных моментов атомов диэлектрика, колеблющихся под действием электрического поля прошедшей (преломлённой) волны и учитывая, что в направлении своих колебаний диполи не излучают, мы можем объяснить отсутствие отраженной волны, показанной на рис. 1 пунктиром (см. эффект Брюстера – раздел 3)

43

ся в плоскости падения. В нашем случае это горизонтальная плоскость. Направление E совпадает с направлением рукоятки поворота поляризатора (объект 12).

6. Зафиксируйте угловое положение стола, отвечающее минимуму отражения, подстройте поляризацию падающего света и ещё раз уточните положение минимума. Запишите значение угла imin по шкале поворотного стола

7.Определите положение нормали к пластинке, для этого пустите отражённый луч навстречу падающему лучу и запишите значение углаi0 .

8.Найдите угол Брюстера по формуле:

iБр imin i0 .

9.По формуле (1) рассчитайте показатель преломления пластины n

10.Оцените погрешность и запишите результат в формате:

n n n

Задание 2

1.Установите вместо пластмассовой пластины (объект 6) последовательно объекты 4, 5, 7, 8 или 9 из набора объектов комплекса ЛКО-1 (не менее трёх, по указанию преподавателя).

2.Используя методику задания 1, измерьте угол Брюстера для выбранных объектов.

Контрольные вопросы

1.Что такое естественный свет? Как колеблется электрический вектор естественного света?

2.Что такое поляризованный свет? Какие существуют виды поляризации?

3.Как изменяются интенсивности естественного и поляризованного света при прохождении через идеальный поляризатор? Закон Малюса.

6.Поляризация при отражении света от диэлектрика. Закон Брюстера. Стопа Столетова.

7.Двойное лучепреломление. Свойства обыкновенного и необыкновенного лучей.

8.Прохождение плоскополяризованного света через одноосную кристаллическую пластинку. Оптическая разность хода и разность фаз обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе из кристалла.

9.Какие существуют способы получения поляризованного света.

10.Как объяснить механизм вращения плоскости поляризации оптически активными веществами?

11. Какие существуют методы измерения угла поворота плоскости поляризации световой волны оптически активной средой?

45

6. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-28 ЭЛЛИПТИЧЕСКАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ

Цели работы: изучение прохождения света через кристаллическую пластинку.

Приборы и принадлежности: лабораторный комплекс ЛКО-5.

Методика эксперимента

При прохождении света через анизотропные среды, в частности, через кристаллы, поляризация излучения может изменяться. В каждом кристалле существуют три взаимно ортогональных направления, называемые главными осями кристалла, обладающие важным свойством: если волна линейно поляризована и колебания вектора E направлены вдоль одной из главных осей, то поляризация волны при прохождении через кристалл не изменяется. Для разных главных осей показатели преломления, а значит и скорости распространения волн, различны.

Воспользуемся этим для получения света с эллиптической поляризацией. Пусть свет проходит через кристаллическую пластинку, главные оси которой направлены по осям х и y, соответствующие показателям преломления n1 и n2 , лежат в плоскости пластинки, а третья ось z нормальна к пластинке. Направим пучок света вдоль оси z (рис.68).

Поле E падающей волны разложим на составляющие

E Ex Ey Exer x Eyery

46

где ex и ey единичные векторы по осям x и y. Волна с полем Ex затра-

2 d n2 n1

0

Тот же результат можно получить по-другому: для двух волн пластина создает разность хода

42

0 m 0 - пластинку называют полуволновой.

2

Если в линейно поляризованной падающей волне вектор E уже направлен вдоль одной из главных осей х или у, то амплитуда колебаний вдоль другой оси равна нулю, и на выходе из пластинки имеем лишь ту составляющую вектора E, что и на входе, т.е. поляризация волны не изменится. Если же на входе обе компоненты Ex и Ey не равны нулю, то поля-

ризация на выходе определяется соотношением их амплитуд и полученной разностью фаз .

При (полуволновая пластинка) синфазные колебания Ex и Ey на

входе в пластинку превращаются в противофазные на выходе.

Это приводит к повороту плоскости поляризации на угол 2 , где - угол между главной осью пластинки и плоскостью поляризации падающей волны (рис.69). Если повернуть пластинку вокруг оси z , плоскость поляризации на выходе повернется на вдвое больший угол.

получим ортогональные колебания равных амплитуд (Ex =Ey ) с фазовым

сдвигом , что соответствует круговой поляризации.

2

47

Если вносимая пластинкой разность хода заранее неизвестна (таков объект 39), её можно определить по анализу поляризации после пластинки следующим образом. Определим положение главных осей пластинки и ус-

тановим их под углом к плоскости поляризации падающего света,

4

определяемой входным поляризатором П1 (рис. 70).

После пластинки получим колебания с одинаковыми амплитудами и со сдвигом фаз , который следует найти. Установим после пластинки поляризатор П2. Через него пройдут колебания с амплитудами

E1 Emx cos и E2 Emy sin ,

где угол определяет ориентацию поляризатора (см. рис. 70). Интенсивность прошедшей через поляризатор волны определяется этими амплитудами, а также разностью фаз колебаний (см. методическое пособие - “Интерференция”):

I I1 I2 2I1I2 cos

Учитывая, что I1 E12 а I2 : E22 и модули амплитуды Emx Emy , получаем:

I const 1 sin2 cos .

Поворачивая поляризатор П2, найдем максимальное и минимальное значение интенсивности прошедшего через него излучения. Поскольку

48

Для однозначного определения б нужно знать’ возможный диапазон значений толщины пластины. Известно, что для объекта 39 разность хода

0 .

2

Задание 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ТОЛЩИНЫ ПЛАСТИНКИ

1.Установите на оптической скамье два поляризатора и модуль 3. Настройте установку для измерений интенсивности. Скрестите поляризаторы.

2.Разместите между ними кристаллическую пластинку (объект 39) в поворотном держателе (модуль 10). Поворачивая пластинку вокруг оптической оси, найдите такие ее положения, при которых поле зрения затемнено. Вы нашли - главные оси пластинки: они параллельны плоскостям поляризаторов.

3.Поверните входной поляризатор на 45 градусов. Поворачивая анализатор, найдите Imax и Imin и определите по формуле (1).

Изложенный выше метод оставляет неоднозначность в определении .

Неясно, < или > . Присмотритесь к рис.70, на котором обозначена

2 2

плоскость входного поляризатора П1 и выходного П2, и сообразите, как будет ориентирован эллипс поляризации при малых и при , соответственно, при какой ориентации плоскости П2 будет наблюдаться Imax , при какой Imin . Вернитесь к эксперименту и определите , лежащее в диапазоне 0< < .

Зная толщину пластины (указана в паспорте установки или определена в опыте 3.3), определите разность показателей преломления n2 n1 .

ОПЫТ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ.

Нельзя ли определить по ориентации эллипса поляризации, т.е. по положению П2, отвечающему Imax или Imin

ПОЛУВОЛНОВАЯ И ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВАЯ ПЛАСТИНКИ

Если в наборе имеются объекты 40 и 41, проверьте, насколько точно изготовлены пластинки. После четвертьволновой пластинки, настроенной

на получение круговой поляризации, анализатор должен дать Imax 1.

Imin

49

После полуволновой пластинки анализатор должен показать сохранение линейной поляризации, однако при повороте пластинки на некоторый угол плоскость поляризации должна поворачиваться на вдвое больший угол.

Контрольные вопросы

1.Что такое естественный свет? Как колеблется электрический вектор естественного света?

2.Что такое поляризованный свет? Какие существуют виды поляризации?

3.Как изменяются интенсивности естественного и поляризованного света при прохождении через идеальный поляризатор? Закон Малюса.

6.Поляризация при отражении света от диэлектрика. Закон Брюстера. Стопа Столетова.

7.Двойное лучепреломление. Свойства обыкновенного и необыкновенного лучей.

8.Прохождение плоскополяризованного света через одноосную кристаллическую пластинку. Оптическая разность хода и разность фаз обыкновенного и необыкновенного лучей на выходе из кристалла.

9.Какие существуют способы получения поляризованного света.

10.Как объяснить механизм вращения плоскости поляризации оптически активными веществами?

11. Какие существуют методы измерения угла поворота плоскости поляризации световой волны оптически активной средой?

50