3. 8 Изучение явления поляризации света

Цель работы: изучить способы получения поляризованного света и методы его анализа. Проверить закона Малюса.

I. Теоретическое введение.

Из электромагнитной теории света следует, что световая волна поперечна, то есть три вектора, характеризующие волну, - напряженность электрического поля, индукция магнитного поля и скорость распространения волны взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую систему. Вектор называется электрическим (световым), вектор магнитным.

Поляризация света – это свойство света, проявляющееся в пространственно-временной упорядоченности ориентации электрического и магнитного векторов.

Оптические явления обусловлены действием, главным образом, вектора , который обычно называют световым. Опыт показывает, что физиологическое и фотоэлектрическое действие света определяется частотой колебаний вектора и интенсивностью I света, которая пропорциональна квадрату амплитуды светового вектора

Естественный свет, излучаемый всеми источниками, за исключением лазеров, представляет собой совокупность световых волн со всевозможными направлениями колебаний вектора , быстро и беспорядочно сменяющими друг друга.

При этом направления вектора удовлетворяют условиям взаимной ориентации векторов , и . На рис.1 схематично показано направление вектора естественного света в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны.

Поляризованный свет - это свет, у которого направления колебаний вектора каким-либо образом упорядочены в отличие от вектора в есте­ственном свете.

Линейно поляризованный свет - свет, у которого колебания вектора происходят вдоль прямой, положение которой в пространстве не изменяется с

течением времени.

На рис.2 показано направление вектора в линейно поляризованной волне в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны. Картину распространения линейно поляризованной волны иллюстрирует рис.3. Из него видно, что во всех точках вдоль луча колебания светового вектора происходят в одной и той же плоскости, проходящей через луч и не меняющей своего положения в пространстве.

Э та плоскость носит название плоскости колебаний электрического вектора.

Д ля эллиптически поляризованного света световой вектор вращается в плоскости фронта волны, при этом конец вектора описывает эллипс. Частным случаем эллиптически поляризованного света является свет, поляризованный по кругу.

ЯВЛЕНИЕ ДВОЙНОГО ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ.

Естественный свет, падая на оптически анизотропную среду, делится на две полностью линейно поляризованные волны с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний (рис .4)

При этом одна из них, называемая обыкновенной волной О, распространяется в кристалле во всех направлениях с одинаковой скоростью и, следовательно, характеризуется постоянным значением показателя преломления n₀. Вторая световая волна, называемая необыкновенной е, распространяется с различными скоростями в зависимости от угла, образуемого лучом и кристаллографическими осями кристалла. В связи с этим она характеризуется различными показателями преломления.

З начение показателя преломления необыкновенной волны, максимально отличающееся от n₀, обозначается n_е.

Колебания электрического вектора в необыкновенной волне совершаются в плоскости "главного сечения кристалла", то есть в плоскости, проходящей через направление распространения света и направление оптической оси, а колебания вектора в обыкновенной волне к ним перпендикулярны.

Оптическая ось кристалла – это такое направление, для которого скорости распространения обыкновенной и необыкновенной волн одинаковы. Поэтому луч, распространяющийся вдоль оптической оси, не претерпевает раздвоения и не меняет характера поляризации. В том случае, если световая волна падает на кристалл перпендикулярно к его оптической оси, то обыкновенная и необыкновенная волны распространяются по одному и тому же направлению, но с различными скоростями.

Причиной двойного лучепреломления является анизотропия поляризуемости молекул, которая ведет к тому, что диэлектрическая проницаемость, а значит, и показатель преломления среды будут различны для разных направлений электрического вектора световой волны.

Явление двойного лучепреломления используется, в частности, для получения линейно поляризованного света с помощью различных поляризационных призм (призмы Николя, Глана-Томсона и др.). Это довольно дорогие и труднодоступные приборы. Во многих случаях для получения линейно поляризованного света широко используются более доступные приборы-поляроиды.

В поляроидах используется явление оптического дихроизма, то есть явление различного поглощения обыкновенного и необыкновенного лучей. Причина дихроизма – анизотропное строение вещества. Если полимерную пленку, состоящую из весьма длинных линейных, вытянутых молекул, подвергнуть специальной химической обработке, а затем в нагретом состоянии растянуть в определенном направлении, то после охлаждения полимерные молекулы ориентируются своими длинными осями вдоль направления растяжения. Образуются "эффективные провода", расстояние между которыми меньше длины волны видимого света. Такая пленка становится анизотропной. Она поглотает составляющую электрического вектора в падающей волне, направленную вдоль "проводов", а составляющую электрического поля, поперечную проводам, пропускают с очень малым ослаблением. Это объяс­няется следующим образом. Составляющая электрического вектора в падаю­щем излучении, параллельная «проводам», вызывает перемещение электронов вдоль "проводов", которые во-первых, передают при столкновениях часть своей энергии кристаллической решетке "проводника" и, во-вторых, излучают энергию. Излучение электронов ослабляет падающее излучение. Под действием составляющей электрического вектора, перпендикулярной "проводам", электроны не мот свободно перемещаться, так как их движение ограничено малым поперечником "проволоки". Они не испускают и не поглощают энергию. Следовательно, от прохождения через "проволочную ограду" эта составляющая падающего излучения не меняется. В поляроиде существует ось, в направлении которой поглощение излучения практически отсутствует. Эта ось называется осью свободного пропускания.

П усть линейно поляризованный свет с амплитудой электрического вектора падает нормально на поляроид. Пренебрежем потерей интенсивности света при отражении и будем считать, что составляющая вектора ,перпендикулярная к оси пропускания ОY, полностью поглощается, а составляющая - параллельная оси пропускания, полностью проходит. В случае произвольного угла θ между направлением вектора и осью про­пускания поляроида интенсивность света I, прошедшего через поляроид, будет зависеть от угла θ (рис.5).

Если учесть, что интенсивность света I прямо пропорциональна квадрату амплитуды, то можно написать, что интенсивность света I, прошедшего через поляроид

где I₀ - интенсивность линейно поляризованного света, падающего на поляроид, а θ- угол между направлением поля и осью пропускания поляроида. Эта формула носит название закона Малюса.

Если два поляроида, оси пропускания которых взаимно перпендикулярны, расположить друг за другом, то через такую систему свет не пройдёт (поляроиды скрещены).