Занятие 27 поляризация света

Учебная цель: сформировать понимание физической сущности явления, доказывающего волновую природу света. Научить применять основные законы волновой оптики.

Литература

Основная: Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1989. - Гл. 34, § 34.1, 34.2.

Дополнительная: Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1989. - Т. 2. - гл. 19, § 134 - 136.

Контрольные вопросы для подготовки к занятию

1. Как расположены векторы напряженности электрического и магнитногополей по отношению друг к другу и к направлению распространения волны?

2. Какая плоскость, проходящая через луч, называется плоскостью поляризации? Какой из векторов илилежит в этой плоскости?

3. Дайте определение естественного и поляризованного света.

4. Каким образом естественный свет можно преобразовать в поляризованный? Приведите и поясните один из опытов.

5. Запишите и поясните закон Малюса.

6. Как поляризованы отраженный и преломленный лучи? Покажите на рисунке плоскость поляризации отраженного и преломленного луча.

7. От чего зависит степень поляризации отраженного и преломленного лучей? Что такое угол максимальной (или полной) поляризации?

8. Запишите и сформулируйте закон Брюстера.

Краткие теоретические сведения и основные формулы

Следствием теории Максвелла является поперечность световых волн: векторы напряженностей электрического и магнитногополей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скоростираспространения волны (рис. 27.1). Поэтому для полного описания поляризации светового пучка необходимо знать поведение лишь одного из векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора – вектора напряженностиэлектрического поля.

Плоскость, в которой происходят колебания вектора , называется плоскостью поляризации.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора .

Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора , и следовательно, называетсяестественным.

Свет, в котором направления колебаний каким-то образом упорядочены, называется поляризованным.

За меру степени поляризации принимают

где и- максимальная и минимальная интенсивность света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора. Для естественного света=иР = 0, для плоскополяризованного = 0 иР = 1.

Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя так называемые поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направления.

Рассмотрим классические опыты с турмалином (рис. 27.2). Направим естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина Т₁, вырезанной параллельно оптической оси ОО (направление в кристалле, относительно которого атомы (или ионы) кристаллической решетки расположены симметрично). Вращая кристалл Т₁ (поляризатор – П) вокруг направления луча, никаких изменений интенсивности света прошедшего через турмалин не наблюдаем.

Если на пути луча поставить вторую пластину Т₂ (анализатор – А) и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла  между оптическими осями кристаллов по закону Малюса:

, (27.1)

где J₁ и J₂ – интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него.

При  = 0 (оптические оси поляризатора и анализатора параллельны) получается максимальная интенсивность прошедшего через систему света , при(скрещенные поляризатор и анализатор)J = 0, такая система света не пропускает.

Если пропустить естественный свет через два поляризатора, плоскости которых образуют угол , то из первого выйдет поляризованный свет, интенсивность которого , так как в естественном свете все значения равновероятны и . Из второго, согласно закону Малюса, выйдет свет, интенсивность которого. Следовательно, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора

,

откуда (поляризаторы параллельны) и= 0 (поляризаторы скрещены).

При прохождении света через поляроиды происходит потеря интенсивности вследствие отражения и поглощения света в кристаллах.

С учетом этого формула примет вид

где k – коэффициент, учитывающий потери на отражение и поглощение света в поляроидах.

Если естественный свет падает на границу двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например, турмалин), убеждаемся в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается и ослабевает (полного гашения не наблюдается). Дальнейшие исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рис. 27.3 они обозначены точками), в преломленном – колебания, параллельные плоскости падения (на рис. 27.3 эти колебания изображены стрелками).

Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления.

Найдем связь между углом падения i и показателем преломления второй среды относительно первой:

,

или

. (27.2)

Соотношение (27.2) выражает закон Брюстера: луч отраженный полностью поляризован, если тангенс угла падения равен относительному показателю преломления среды, от границы которой он отражается. Угол, удовлетворяющий условию (27.2), называется углом полной поляризации.

Некоторые вещества (например, из твердых тел – кварц, сахар, киноварь, из жидких – водный раствор сахара, винная кислота, скипидар), называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации.

Кристаллические вещества сильнее всего вращают плоскость поляризации в случае, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Угол поворота  пропорционален пути l, пройденному лучом в кристалле:

. (27.3)

Коэффициент  называется постоянной вращения.

В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути света l в растворе и концентрации с () активного вещества:

.

Здесь [] – величина, называемая удельной постоянной вращения, численно равна углу поворота плоскости поляризации света слоем оптически активного вещества единичной толщины и единичной концентрации. Как , так и [] зависят от природы вещества, температуры и длины волны света в вакууме.