Лабораторная работа № 14 Изучение поляризации света.

1. Теоретическое введение

1.1 Явление поляризации света (зависимость свойств света от на­правления в плоскости, перпендикулярной световому лучу) обу­словлено его электромагнитной природой.

Если в некоторой области пространства распространяется элек­тромагнитная волна, то в каждой точке этой области (в данный мо­мент времени) можно указать величину и направление трех векто­ров: вектора напряженности электрического поляE, вектора напря­женности магнитного поля H, и вектора скорости волны v, направ­ленного в сторону ее распространения. Векторы E, H и v в любой точке пространства и в любой момент времени взаимно перпендикулярны и образуют правую тройку: если смотреть вдоль вектора v, то поворот от вектора E к вектору H на будет осуществляться по часовой стрелке (см. Рис. 14.1).

Рис.14.1

Таким образом, векторы E и H электромагнитной волны всегда лежат в плоскостях, перпендикулярных направлению ее распространения, т.е. электромагнитные волны являются поперечными. Если в световом луче колебания вектора E совершаются в одной плоскости, то свет называется линейно поляризованным или плоско поляризованным. В этом случае плоскость, образованная векторами E и v, называется плоскостью поляризации (Рис. 14.1). пересечение плоскости поляризации с плоскостью, перпендикулярной лучу, образует линию. В общем случае, конец вектора E описывает эллипс, и такой свет называется эллиптически поляризованным.

В так называемом естественном свете имеется совокупность волн со случайной ориентацией плоскостей поляризации. При этом ни одно из направлений колебаний вектора E не является выделенным. Это объясняется тем, что в обычных источниках света (солнце, лампа накаливания и т.д.) свет испускается огромным числом атомов, которые излучают электромагнитные волны с различной поляризацией. Кроме того, каждый атом начинает свой акт испускания с новой поляризацией. Поэтому в естественном луче света в плоскости, перпендикулярной лучу, присутствуют колебания всех направлений, обуславливая одинаковый вклад в интенсивность излучения. На Рис.14.2 показано расположение векторов E в луче естественного света в одной точке пространства в какой-либо момент времени.

Рис. 14.2

1.2 Способы получения поляризованного света из естественного основаны на явление поляризации света при отражении и преломления на границе раздела диэлектриков, на явлениях поляризации света при двойном лучепреломлении в кристаллах и дихроизма.

В общем случае при отражении естественного света от диэлектрика получается только частично поляризованный свет (в частично поляризованном свете имеется преимущественное направление колебания вектора E, но оно не является единственным).

Рис. 14.3

На Рис. 14.3 показан естественный луч света, падающий на границу раздела двух сред. Преломленный и отраженный лучи частично поляризованы. Степень поляризации лучей зависит от угла падения . На этом рисунке в падающем луче через иобозначены составляющие вектораE соответственно параллельные и перпендикулярные плоскости падения луча (т.е. плоскости, в которой лежит падающий луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред). Условно они обозначены черточками и точками. Черезиобозначены соответствующие компоненты отраженного луча, а величиныихарактеризуют преломленный луч.

При определенном угле падения света бр, который называется углом Брюстера, отраженный свет становится линейно поляризованным, причем сохраняется только перпендикулярная составляющая вектора. Угол Брюстера находится из соотношения

tgбр =n (14.1)

где n – показатель преломления среды, на которую падает свет из воздуха. Для стеклабрy57*.

При полной поляризации отраженного луча угол между отраженным и преломленным лучами равен. Преломленный луч остается частично поляризованным. Физический смысл закона Брюстера довольно прост. Падающая волна на границе раздела сред возбуждает колебания электронов, которые становятся источниками вторичных волн. Эти волны и формируют отраженный и преломленный лучи. Так как колеблющийся диполь излучает преимущественно в направлении оси диполя (см. рис. 14.4), то две составляющие вектораЕ(и) оказываются в неодинаковых условиях.

Рис. 14.4

Так, если падает луч с составляющей вектора Е, перпендикулярной плоскости падения, то он заставляет диполи вещества колебаться перпендикулярно плоскости чертежа, и формируется вторичная волна, поляризованная таким же образом, (т.е. перпендикулярно плоскости падения света). Причем, так как диполь равномерно излучает вторичные волны по всем направлениям, перпендикулярным его оси, то эта компонента света в равной мере участвует в формировании отраженной и преломленной волны (см. рис. 14.5,а).

Рис. 14.5

Иначе обстоит дело для - компоненты света. Она“раскачивает” диполи вещества в плоскости чертежа, и, поскольку диполь не излучает вторичные волны вдоль своей оси, то эти волны преимущественно формируют преломленный луч, лишь частично попадая в отраженный луч (см. рис. 14.5,б). При определенном угле паденияось диполя совпадает с направлением формирования отраженного луча, и отраженный луч просто не может возникнуть. Если под этим углом падает естественный свет, в котором одновременно присутствуют обе компоненты вектораЕ, то компоненты, параллельной плоскости падения, в отраженном луче не будет, остается лишь компонента. Очевидно, что в этой ситуации угол между отраженным и преломленным лучами будет.

1.3 Явления отражения и преломления света на границе раздела двух прозрачных изотропных сред вполне удовлетворительно объясняются в рамках электромагнитной теории Максвелла. Исходя из нее, можно получить так называемые формулы Френеля, связывающие амплитуды отраженной E’и преломленной E’ волны самплитудойE’ падающей волны.

Для отраженной волны

= +;= -. (14.2)

Для преломленной волны

=;=. (14.3)

Здесь - угол падения,угол преломления. Из этих формул можно найти коэффициент отражения:, гдеи- интенсивности падающей и отраженной волны. Имеем:

=;

(14.4)

=.

Для неполяризованного света

. (14.5)

Можно показать, что прикоэффициент отражения обращается в ноль. Если падающий свет – неполяризованный, то преломленный свет никогда не становится полностью поляризованным.

Формулы Френеля применимы и в том случае, когда на границу раздела двух сред падает поляризованный свет. Если известна ориентация плоскости поляризации (плоскости колебания вектора Е) в падающем луче, то необходимо разложить на две компонентыи, и для расчета компонент отраженного и преломленного света применить формулы Френеля.

1.4 В общем случае свет является частично поляризованным. Это означает, что свет состоит из двух некогерентных составляющих: полностью поляризованной и полностью неполяризованной. Степенью поляризации света называется отношение интенсивности его полностью поляризованной составляющей к общей интенсивности света.

Чтобы достичь большей степени поляризации преломленного луча, его пропускают под углом Брюстера через стопу стеклянных пластин, наложенных одна на другую (стопа Столетова). Число пластин в стопе достигает 8 – 10 штук. После прохождения естественного света через такую стопу свет становится практически полностью поляризованным, при этом плоскость колебаний вектора Е совпадает с плоскостью падения.

Рис. 14.6

1.5. Любой прибор, позволяющий из естественного света получать поляризованный, называется поляризатором (диэлектрическая пленка, стопа Столетова, кристалл турмалина, поляроид, призма Николя и др.). Прибор, позволяющий отличать естественный свет от поляризованного и определять в последнем направление колебаний вектора Е, называется анализатором (см. рис. 14.6.). Поляризатор и анализатор взаимозаменяемы – один и тот же прибор может служить как поляризатором, так и анализатором.

1.6. Если луч света проходит последовательно через два таких прибора, то первый будет служить в этом случае поляризатором, а второй – анализатором. Пусть интенсивность света, прошедшего через поляризатор. Интенсивность светаI, прошедшего через анализатор, определяется законом Малюса:

(14.6)

где - угол между главными осями анализатора и поляризатора. Если эти оси взаимно перпендикулярны, то свет из анализатора выходить не будет (I = 0 при) (см. рис. 14.6).