4.ОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЛИПТИЧЕСКИ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА

Вобычных условиях электромагнитные волны, как правило, являются плоскополяризованными. Чтобы у компонент Ex и Ey появилась разность фаз,

необходимо пропустить плоско-поляризованный свет через анизотропную среду, в которой компоненты Ex и Ey распространяются по одному

направлению, но с разной скоростью. В этом случае при прохождении некоторого отрезка анизотропной среды ∆L одна из компонент, распространяющаяся с меньшей скоростью cmin , получит большее приращение

фазы

по сравнению с компонентой, распространяющейся с большей скоростью cmax :

∆ϕmin = ω ∆tmin = ω c∆L . (14)

max

Анизотропной средой с такими свойствами может быть одноосный двояко преломляющий кристалл или искусственно созданная среда - изотропное вещество, в котором создано оптически выделенное направление.

Водноосных кристаллах сами частицы могут быть анизотропными или они могут получить анизотропные свойства под действием внешних силовых полей (электрического, магнитного, гравитационного и др.). С другой стороны, анизотропия может быть связана с расположением частиц в кристалле, неодинаковым по разным направлениям. Искусственно такая ситуация может быть вызвана односторонним механическим сжатием изотропного твердого вещества. Очень часто анизотропия создается одновременным действием обоих механизмов.

Вжидких и газообразных веществах анизотропия возникает при помещении этих веществ в сильное поле, чаще всего электрическое.

Влюбом случае для света, идущего перпендикулярно оптической оси, создается ситуация, когда компоненты электрического поля световой волны, ориентированные вдоль выделенного направления (оптической оси) и перпендикулярно оптической оси вызывают различную поляризацию частиц среды и, в связи с этим, распространяются с различной скоростью (рис. 8).

Рис. 8.

На рис. 8 показаныrразличные возможные случаи. Компонента светового луча, в которой вектор E направлен перпендикулярно к оптической оси, называется обыкновенной и распространяется со скоростью co , одинаковой по всем направлениям (обыкновенный луч). Волновая поверхность такого лучаr

представляет собой сферу. Компонента светового луча, в которой вектор E направлен вдоль оптической оси, называется необыкновенной и распространяется со скоростью cн , зависящей от направления. Если cн ≥co ,

среда (кристалл) называется отрицательной (рис. 8а, 86). В случае cн ≤co среда

(кристалл) называется положительной (рис. 8в, г). Прохождение линейнополяризованного света через одноосные кристаллы перпендикулярно к оптической оси используется для получения эллиптически поляризованного света в лабораторных условиях. Прохождение света через искусственно созданные анизотропные среды используется в технике для создания безинерционных оптических затворов (явление Керра) и для изучения полей механических напряжений в прозрачных моделях сложно нагруженных деталей произвольной формы.

Модуль (4) программы позволяет изучить механизм преобразования линейнополяризованного света в эллиптически поляризованный.

Модель экспериментальной установки представляет собой две кюветы с анизотропным веществом, через которые может проходить луч света. На входе в кюветы установлены поляризаторы, которые могут поворачиваться на любой угол. Оптическая ось анизотропной среды расположена вертикально.

Эксперимент может выполняться в двух режимах: последовательный эксперимент - вначале в верхней кювете, затем в нижней, и параллельный (одновременный) эксперимент.

В режиме последовательного эксперимента также можно выбрать две возможности - режим волновых пластинок и режим физических параметров. Режим волновых пластинок предполагает, что размер анизотропного вещества и его скорости обыкновенного и необыкновенного луча в направлении, нормальном к оптической оси, подобраны так, чтобы разность хода для

напряженности Ex и Ey приобретают разность фаз ∆ϕ = ±π / 2 , и свет

становится эллиптически поляризованным с осями эллипса, ориентированными по направлениям x и y . Если начальный угол поляризации был задан θ = ±π / 4

( ± 45°), свет на выходе из четвертьволновой пластинки становится поляризованным по кругу.

В полуволновой пластинке компоненты электрического вектора Ex и Ey

приобретают разность фаз ∆ϕ = ±π , и свет на выходе из пластинки вновь

становится плоско-поляризованным, но с другой (симметричной относительно оптической оси) плоскостью колебаний. Если начальный угол поляризации был задан θ = ±π / 4 ( ± 45°), плоскость поляризации света на выходе из полуволновой пластинки будет перпендикулярна к плоскости поляризации входящего света. Этот случай используется при создании оптических безинерционных затворов.

Задание 4-1

Задайте "Режим последовательного эксперимента". Задайте "Режим волновых пластинок".

Из таблицы 4-1 выберите любую комбинацию параметров и проведите эксперимент.

Таблица 4-1

∆ =λ / 4, λ / 2, λ θ = ±45°, ±30°, ± 60°

Оптический знак среды = «+», «-»

Для второго эксперимента выберите другую комбинацию параметров. Изучите влияние на картину преобразования света всех трех параметров.

Задание 4-2

Задайте "Режим параллельного (одновременного) эксперимента".

Выбирая из таблицы 4-1 комбинации параметров ∆, θ и оптического знака, сравните влияние θ и оптического знака среды на поведение эллиптически поляризованной волны. Скорость эксперимента выберите такой, чтобы направление вращения вектора электрической напряженности было вам хорошо видно.

Дальнейшие эксперименты проведите, задавая конкретные физические параметры анизотропной среды.

Сдвиг фаз между компонентами электрического вектора волны Ex и Ey , вызванный различными скоростями распространения этих компонент cн для необыкновенного луча и co для обыкновенного равен (см. вывод в Приложении

2):

Из формулы (15) можно определить длину анизотропной среды (кристалла или кюветы), которая обеспечит необходимый сдвиг фаз. Так, для получения сдвига фаз ∆ϕ = ±π (полуволновая пластинка, режим оптического затвора):

Для четвертьволновой пластинки длина будет вдвое меньше.

Задание 4-3

Для одного из двух кристаллов из табл. П-1 (в Приложении) рассчитайте длину кристаллической пластинки ( ∆ = λ , ∆ = λ / 2 , ∆ = λ / 4 - по заданию преподавателя) и проведите эксперимент. Убедитесь, что рассчитанная кристаллическая пластинка работает правильно.

Для расчета оптического затвора также используется формула (16). В этом случае разность коэффициентов преломления рассчитайте по формуле Керра:

∆n = λo B E 2 , (17)

здесь B - постоянная Керра, E - напряженность электрического поля (кВ/см), λo - длина волны в вакууме (см). Постоянные Керра для ряда жидкостей

приведены в таблице П-2.

Задание 4-4

Рассчитайте оптический затвор для одного из веществ, используемых для этих целей. По заданию преподавателя для одного из веществ, приведенных в таблице П-2, и для указанных преподавателем параметров из таблиц 4-2 и 4-3 рассчитайте длину кюветы L .

Таблица 4-2. Толщина кюветы

Таблица 4-3. Напряжение на границах кюветы