Изучение явления поляризации света
Приборы и принадлежности: оптическая скамья с осветителем, два поляроида
фотоэлемент с гальванометром.
Цель работы: изучение теории поляризации света изучение теории линейно - поляризованных электромагнитных волн. Изучение устройства ряда поляризаторов проверка закона Малюса.
Теория
1.Плоские монохроматические электромагнитные волны
Известно,
что свет – это электромагнитные волны.
Оптический диапазон включает в себя
видимую область (ВО)
(
=0,38¸0,78
мкм.), инфракрасную область (ИК)
.(
=0,78¸1000
мкм) и ультрафиолетовую область (УФ)
(
=0,001¸0,38
мкм). Основные свойства электромагнитных
волн (поперечность и ортогональность
векторов
и
)
можно получить из прямого анализа
уравнений Максвелла.
Допустим,
что плоская монохроматическая световая
волна с частотой
распространяется вдоль направления,
которое характеризуется единичным
вектором
.
Тогда уравнение для электрического и
магнитного векторов световых волн в
некоторой точке, характеризуемой радиус
вектором
,
в момент времени
запишется
в виде:
. (1)
Или перепишем их в комплексной форме записи
, (1¢)
где
и
- амплитуды,
- волновой вектор,
, (2)
где
- волновое число,
- единичный вектор нормали к волновому
фронту,
- длина волны,
- скорость света в вакууме,
- радиус-вектор рассматриваемой точки.
Кроме того можно записать:
. (3)
Известно, что световые волны поперечны, при этом электрический и магнитный вектора световой волны перпендикулярны друг другу, т.е. выполняются соотношения:
. (4)
Или
другими словами вектора (
)
- правая тройка векторов. Эти три вектора
в световой волне изображены на рис.1. По
модулю напряженности полей одинаковы:
. (4¢)
Фазовая скорость электромагнитных волн в диэлектрике равна:
, (5)
где
-диэлектрическая проницаемость среды,
- магнитная проницаемость среды.
В вакууме
и
. (5¢)
Отношение скоростей электромагнитных волн в вакууме и скорости электромагнитных волн в среде называют показателем преломления среды
, (6)
. (6¢).
2. Естественный и поляризованный свет
В
общем случае при распространении
световой волны вдоль направления
ориентация векторов
и
может меняться, хотя они по-прежнему
перпендикулярны вектору
и друг другу. В зависимости от характера
изменения различают поляризованный и
неполяризованный свет.
Поляризованным называется свет, в котором направления колебаний светового вектора упорядочены каким-либо образом. Следовательно, поляризованный свет – это характер колебаний светового вектора в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Наиболее важные состояния поляризации
возникают при наложении монохроматических
волн. Их общий характер одинаков для
векторных волн любой природы. Рассмотрим
механический пример. Когда частица
совершает два гармоничных колебания с
одной и той же частотой
.
Одно колебание происходит вдоль оси
,
а другое вдоль оси
.
При этом, координаты частицы представляются
выражениями:
,
, 
(7)
где
- сдвиг фаз между колебаниями. Исключим
из этих выражений время и найдём уравнение
движения частицы:
;
;
т.к.
,
то получим
.
Далее выделим корень и возведем все в квадрат:
. (8)
Это кривая второго порядка, а именно эллипс. Таким образом от сложений двух взаимно перпендикулярных колебаний одной и той же частоты возникает движение по эллипсу.
Начальную фазу всегда можно выбрать так, чтобы она была заключена между
и
.Тогда
колебания с большей фазой называют
опережающим, а с меньшей фазой –
запаздывающим. Движение по эллипсу
совершается от положительного конца
оси опережающего колебаний к положительному
концу оси запаздывающего колебания.
В
зависимости от значений параметров
-
эллипс может вырождаться в отрезки
прямой (если а=b,
),
в окружность (если
,
а
).
Все изложенное относится и к сложению любых векторных колебаний, в частности и электромагнитных. Две электромагнитных волны, линейно-поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях при сложении, в общем случае, дают волну, поляризованную эллиптически. В каждой волне конец электрического (и магнитного) вектора в каждой точке пространства движется по эллипсу в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света .
Итак, наиболее общим типом поляризации является эллиптическая поляризация.
Причём различают:
1) правую эллиптическую поляризацию, когда конец вектора движется по эллипсу по часовой стрелке (рис. 2а.)
2) левую эллиптическую поляризацию, когда конец вектора движется по эллипсу против часовой стрелки (рис. 2б).
В обоих указанных случаях вектор , характеризующий направление распространения световой волны направлен перпендикулярно листу – «на нас».
Частными случаями эллиптической поляризации является:
правая круговая поляризация (рис.2в);
левая круговая поляризация (рис.2г);
линейная поляризация, когда эллипс вырождается в отрезок прямой (рис 2д).
Свет, испускаемый отдельным элементарным
источником (молекулой или атомом), обычно
полностью поляризован. Обычный источник
света (лампа, дуга, люминесцентная лампа
и т.д.) являются совокупностью огромного
числа(
)
быстро высвечивающих (за время
с)
элементарных источников (атомов,
молекул),которые испускают свет с
различными фазами, амплитудами и
ориентациями электрического и магнитного
векторов
и
.
Следовательно, в результирующей волне
ориентация векторов
и
,
а также их амплитуды меняются хаотически,
причём все направления оказываются
равновероятными. При это конец вектора
описывает сложную случайную кривую.
Такой свет называют неполяризованным
или естественным. Необходимо отметить,
что естественный свет можно представить
как наложение двух некогерентных
электромагнитных волн, поляризованных
во взаимно перпендикулярных плоскостях
и имеющих одинаковую интенсивность.
Наконец, смесь поляризованного и естественного света называют частично -поляризованным светом.
Примечание 1. Кривая, которую описывает конец вектора не показана на рис.2. Её можно однозначно дорисовать, используя соотношение (4).