Изучение основных явлений поляризации света

Цель работы: получение и исследование поляризованного света; исследование свойств обыкновенного и необыкновенного лучей, полученных с помощью двоякопреломляющего кристалла.

Приборы и принадлежности: источник света, поляроиды, объектив, экран, двоякопреломляющий кристалл, слюдяная пластинка, модель балки.

Введение

1.1 Поляризация электромагнитных волн

Согласно волновой теории свет представляет собой поперечные электромагнитные волны, в которых векторы напряженности электрического и магнитногополей совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях. Абсолютные значения векторовив бегущей световой волне описываются периодическими функциями времени и координат и изменяются синфазно.

Вектор скорости распространения света , вектораиобразуют так называемую правую тройку векторов, то есть, если поворачивать векторк векторуи это направление связать с направлением вращения головки правого буравчика, то поступательный ход буравчика укажет направление вектора(рис. 1). Оставаясь всегда перпендикулярными друг другу, вектораи могут иметь любую ориентацию в плоскости, перпендикулярной вектору . Такой свет называется естественным или неполяризованным (рис. 2а). Свет, в котором вектора,и образуют единственную взаимно перпендикулярную тройку векторов (рис. 2б), называется плоскополяризованным или линейно поляризованным (на рис. 2а и 2б вектор скорости света направлен перпендикулярно плоскости чертежа и поэтому он не изображен). При сложении естественного и плоско поляризованного света, колебания одного направления векторапреобладают над колебаниями других направлений, то такой свет называется частично поляризованным.

Обычные источники света являются совокупностью огромного числа быстро (за 10^7  10^8 с) высвечивающихся элементарных источников (атомов или молекул), испускающих свет независимо друг от друга, с разными фазами и с разными ориентациями векторов и. Поэтому ориентация этих векторов в результирующей волне хаотически изменяется по времени, то есть такой свет является неполяризованным. Для получении и наблюдения поляризованного света необходимо использовать специальные оптические приборы, поляризующие свет и определяющие степень его поляризации (глаз человека не может отличить поляризованный свет от неполяризованного). Системы, с помощью которых световые волны становятся поляризованными, называются поляризаторами, а системы, используемые для обнаружения и исследования поляризованного света, называются анализаторами. Существует несколько способов получения поляризованного света.

1.2 Методы получения поляризованного света

Выделение направления световой волны, колеблющейся вдоль некоторого выбранного направления, например, вдоль оси Y, осуществляется с помощью поляризаторов, принцип действия которых основывается на различных физических эффектах. Наиболее распространены поляроидные плёнки, в которых свет с определенным направлением плоскости колебаний вектора проходит через пленку практически без поглощения, тогда как компонента светового поля, колеблющаяся в перпендикулярной плоскости, поглощается полностью. Это явление носит название дихроизм. В результате свет, прошедший через поляризатор, становится линейно поляризованным, а плоскость, в направлении которой колеблется вектор, определяет оптическую плоскость поляризатора. Явление дихроизма используется в так называемых поляроидных поляризаторах или поляроидах. Помимо этого для получения поляризованного света могут быть использованы и другие эффекты:

• Поляризация при отражении света от поверхности диэлектрика. В результате отраженный луч будет частично поляризован, а при определенном угле падения, называемом углом Брюстера, – линейно поляризованным со световой плоскостью, перпендикулярной плоскости падения света. Подобные поляризаторы, называемые «окнами Брюстера», используются в газовых лазерах. Преломленный луч света также будет частично поляризованным, но с малой степенью поляризации. Для увеличения степени поляризации луч света пропускают через стопу пластин, направляя его под углом Брюстера к плоскости пластин [1 – 3].

• Двойное лучепреломление. Оптическая анизотропия

При прохождении света через одноосные оптические кристаллы наблюдается эффект раздвоения луча на два линейно поляризованных пучка с взаимно перпендикулярной ориентацией световых плоскостей. Это явление носит название двойного лучепреломления. При наблюдении через такой кристалл какого-либо предмета мы получаем два смещенных друг относительно друга его изображения. Такое явление наблюдается в кристалле исландского шпата. Если направить по нормали на плоскопараллельную пластину, выполненную из одноосного кристалла, естественный луч света, то один из лучей будет распространяться в том же направлении (рис. 3) в соответствии с законами преломления света. В силу этого он называется обыкновенным лучом и на рисунке обозначается буквой «о». Световая плоскость полученного линейно поляризованного обыкновенного луча перпендикулярна плоскости, образованной направлением падения луча и оптической осью ОО кристалла.

Второй луч, называемый необыкновенным «е», отклоняется от нормали в нарушение законов преломления. Его световая плоскость совпадает с плоскостью чертежа (рис. 3). В результате два луча (обыкновенный и необыкновенный) оказываются линейно поляризованными с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации.

Рис. 3

На рисунке 3 точками и стрелками обозначены направления колебаний вектора в обыкновенном и необыкновенном лучах (на пластину падает неполяризованный свет). Данный эффект может наблюдаться с помощью анализатора, вращаемого вокруг своей оси.

• Интерференция поляризованных лучей, Если поместить между двумя поляризаторами пластинку из одноосного кристалла с оптической осью, параллельной плоскости кристалла, то на пластинку будет падать плоскополяризованный свет, а из пластинки в общем случае выходит эллиптически поляризованный свет. При выходе из второго поляризатора (называемого анализатором) свет снова будет плоскополяризованным. Его интенсивность зависит от взаимной ориентации световых плоскостей поляризатора, анализатора и оптической оси пластинки, а также от разности фаз приобретаемым обыкновенным и необыкновенным лучами при прохождении через пластинку.

, (1)

где n_c – n_o – разность коэффициентов преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, зависящая от длинны волны света λ₀ в вакууме,

h – толщина пластинки.

Из сказанного выше следует, что при вращении световой плоскости анализатора вокруг оптической оси. Если за анализатором установить экран, то при этом его окраска будет изменяться.

Если между поляризатором и анализатором одноосная пластина различной толщины, то на экране различные участки будут окрашены в различные цвета. При вращении анализатора эти цвета будут меняться.