ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛОСКО- ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛОСКО- ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА.

Цель работы:ознакомление с понятием поляризованного света; изучение поляризации света при отражении и преломлении на плоской границе диэлектриков; определение угла Брюстера для стеклянной пластинки и показателя преломления стекла.

Приборы и принадлежности:Установка для получения и исследования плоскополяризованного света, исследуемые диэлектрические пластины.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Каждая испущенная атомом элементарная волна света характеризуется в любой точке волнового фронта не только направлением вектора скорости , но и определенным направлением колебаний векторов напряженности электрического и магнитного полей. Как следует из теории Максвелла, вектора , и ортогональны между собой и их взаимное расположение однозначно (рис. 5.1).

В световой волне от обычных источников (солнце, нагретые тела) практически равномерно представлены всевозможные направления колебаний электрического , а следовательно, и магнитного , векторов. Это изображено на рис. 5.2 а), где направление вектора предполагается перпендикулярным плоскости рисунка.

Рис. 5.1 Это хаотическое изменение направлений

плоскости колебаний векторов и обусловлен тем, что в волне

одновременно представлены излучения множества атомов. Такой свет называется естественным.

Электромагнитная волна, электрический и магнитный векторы которой имеют относительно данного направления распространения одно единственное направление колебания, носит название линейно-поляризованнойили плоско- поляризованной волны. (рис.5,2 б)

а) б)

Рис.5.2

Естественный свет можно считать состоящим из большого числа линейно-поляризованных волн с равномерно представленными всевозможными направлениями колебаний векторов и .

Плоскость, в которой происходят колебания вектора называется плоскостью колебаний. Плоскость, в которой происходят колебания вектора называется плоскостью поляризации. Плоскость колебаний и плоскость поляризации взаимно перпендикулярны.

При рассмотрении поляризации световой волны обычно говорят о направлении колебаний электрического вектора , а не магнитного , имея ввиду, что фотохимическое действие (и многие другие) производит

электрическое поле световой волны. Поэтому часто вектор называют световым вектором.

Произвести поляризацию света, т.е. выделить из естественного света составляющие вектора , колеблющиеся в какой-либо определенной плоскости, можно различными способами.

Поляризацию света можно наблюдать, например, при отражении света от границы двух диэлектриков; при прохождении света через анизотропные кристаллы (при двойном лучепреломлении); при рассеянии.

В настоящей работе рассматривается поляризация света при отражении и преломлении света на границе двух изотропных диэлектриков: воздуха и стекла.

Взаимодействие света с веществом сводится к действию полей световой волны на элементарные заряды q, из которых состоят атомы вещества.

Очевидно, что в высокочастотных электромагнитных полях, которые характеризуют световую волну ( ≈ 10¹⁴Гц), колебания успевают совершать наиболее легкие частицы – электроны.

Ионные колебания могут играть существенную роль при взаимодействии с веществом электромагнитных волн инфракрасного диапазона ( ≈ 10¹²Гц).

Действия световой волны на электроны (ионы) вещества и обратное воздействие вещества на световую волну сводится к возбуждению колебаний заряженных частиц (оптического электрона относительно ядра или ионов относительно друг друга) в такт с колебаниями электрического вектора световой волны, что приводит к излучению так называемых вторичных волн.

Электрон совершает колебания относительно ядра атома в направлении вектора распространяющейся в среде волны. Направление колебания вектора ^′ вторичной волны определяется направлением колебания электрона. Так как электромагнитные волны поперечны, то вектор ^′ должен, кроме того, быть перпендикулярным к направлению распространения волны .

Расчет интенсивности излучения элементарного вибратора (диполя) показывает, что пространство, в которое излучает диполь, напоминает форму тороида («бублика») (рис.5.3 а), сечение которого имеет вид, представленный на рис.5.3 б.

Рис.5.3

Электрический вектор во вторичных волнах колеблется в плоскости сечения, проходящего через ось диполя. Амплитуда электрического вектора вторичной волны, а следовательно, и ее интенсивность , зависит от направления и имеют максимальное значение для направлений, перпендикулярных к направлениям - скорости колебательного движения электрона, что и показано на рис.5.3.

Так как продольные электромагнитные волны невозможны, то интенсивность электромагнитной волны в направлении оси диполя (направлении ) равна нулю.

Среднее расстояние между атомами вещества мало по сравнению с длиной волны света, поэтому даже в газе при атмосферном давлении в объеме порядка заключено несколько миллионов атомов или

молекул. Вследствие этого, одним цугом (отрезком синусоиды) волн

возбуждается огромное количество электромагнитных вторичных волн.

Вторичные волны когерентны и могут интерферировать как с падающей волной, так и друг с другом. Интерференцией первичной и вторичных волн и обуславливается отражение и преломление волн на границе двух диэлектриков. Полная молекулярная теория взаимодействия света с веществом является довольно сложной. Решение многих вопросов, связанных с отражением и преломлением света, оказывается возможным в рамках более простой электромагнитной теории Максвелла.

Рассмотрение в рамках этой теории вопросов, связанных с интенсивностью падающей, преломленной и отраженной волн на плоской границе двух изотропных диэлектриков, приводит к известным формулам Френеля.

Из этих формул следует.

1. Степень поляризации отраженного и преломленного света зависит от угла падения света на границу раздела сред.

2. При некотором угле = , который называется углом Брюстера, отраженный свет полностью поляризован, преломленный – максимально поляризован.

3. При = колебания вектора в отраженном луче происходят перпендикулярно плоскости падения света, а колебания в преломленном луче преимущественно совершаются в плоскости падения (рис.5.4)

4. , (5.1)

где - относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Выражение (5.1) носит название закона Брюстера (по имени английского ученого Д. Брюстера, установившего этот закон в 1815 году). Из закона Брюстера вытекает, что

, (5.2)

так как по закону преломления света для любых углов падения, в том числе и для угла Брюстера, отношение тоже равно . Тогда имеем:

откуда и вытекает равенство (5.2).

Здесь - угол преломления луча при угле падения = .

Как известно, сумма углов, для которых выполняется (5.2), равна 90⁰. Это значит, что отраженный и преломленный лучи взаимноперпендикулярны (см. рис. 5.5).

Рис. 5.4 Рис.5.5

Отмеченные закономерности явления поляризации света при отражении и преломлении качественно легко пояснить, используя сведения об излучениях колеблющихся электронов. Направления вынужденных колебаний электронов совпадают с направлением колебаний электрического вектора в преломленной волне . Эти колебания электронов возбуждают вторичные волны, дающие на поверхности раздела отраженную волну , распространяющуюся от диэлектрика.

Как отмечено выше, колеблющийся электрон не излучает энергии

в направлении своих колебаний. Поэтому при угле падения, равном углу Брюстера, когда преломленная волна перпендикулярна отраженной (рис.5.5), последняя для колебаний в плоскости падения не излучит никакой энергии. Таким образом, в отраженной волне колебания электрического вектора происходят только в плоскости, перпендикулярной плоскости падения (см.рис. 5.4).

Полной поляризации при отражении света под углом Брюстера может не быть, если на отражающей поверхности находятся молекулы другого сорта, или иначе ориентированных, чем молекулы внутри диэлектрика. Измерение деполяризации света, отраженного при , используется для изучения свойств тонких пленок, тканей, в том числе биологических.

На опыте часто используется интенсивность отраженного или преломленного света определенной поляризации. В связи с этим пользуются понятием частичной поляризации света. О частичной поляризации можно говорить в том случае, когда колебания вектора

в некотором направлении преобладают над колебаниями в других направлениях. Другими словами, частично поляризованное излучение представляет собой смесь естественной (неполяризованной) и плоскополяризованной волн. Для характеристики меры или степени поляризации обычно вводят функцию

100%, (5.3)

где и - интенсивности волн со взаимно перпендикулярными направлениями вектора .

Очевидно, что для неполяризованного света = для любых взаимноперпендикулярных направлений . Поэтому естественный (неполяризованный) свет изображают всего двумя наборами векторов : лежащими в плоскости рисунка и лежащими перпендикулярно этой плоскости - (см. рис. 5.6). Для такого света . Для света, отраженного от диэлектрика под углом Брюстера, = 0 и , т.е. свет полностью поляризован. Вместе с тем, для преломленной волны (при = ) мера поляризации отлична от 100 %.

Поляризация света при отражении от границы двух диэлектриков это не единственный способ получения поляризованного света. Некоторые кристаллы обладают свойством так называемого двойного лучепреломления (кристаллы кварца, исландского шпата). Преломляясь в таком кристалле, луч света раздваивается на два луча со взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний вектора . Один из лучей подчиняется обычным законам геометрической оптики и называется обыкновенным лучом, коэффициент преломления другого луча зависит от направления распространения его в кристалле и называется необыкновенным лучом.

Рис. 5.6

У некоторых двоякопреломляющих кристаллов (турмалина, герапатита) коэффициенты поглощения света для обыкновенного

и необыкновенного лучей отличаются настолько сильно, что уже при небольшой толщине кристалла обыкновенный луч полностью поглощается. Это явление носит название дихроизма. Дихроичные пластинки обычно изготавливаются в виде целлулоидных пленок,

в которые введено небольшое количество герапатита. Такие пленки называются поляроидами.

На практике они используются и как поляризаторы и как приборы, служащие для анализа поляризованного света – анализаторы. Каждый из них пропускает свет только с определенным направлением колебаний . Плоскость, параллельная этому направлению, называется плоскостью поляризатора (анализатора).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Изучение явления поляризации света при отражении и преломлении проводится с помощью лазерной оптической установки, схема которой представлена на рис.5.7.

Рис.5.7

Здесь 1 – блок питания лазера; 2 – полупроводниковый лазер, излучающий неполяризованный красный свет; 3 – поворотное зеркало;

4 – поляризатор, 5 – исследуемая стеклянная пластинка; 6 – устройство отсчета угла падения света на пластинку; 7 – экран для наблюдения отраженного луча.

Как отмечалось в теоретической части работы при падении естественного света на границу раздела двух сред под углом Брюстера, отраженный свет полностью поляризован. При этом колебания светового вектора в нем происходят перпендикулярно плоскости падения – плоскости, в которой лежат падающий, отраженный и преломленный лучи. Эти колебания обусловлены излучением оптических электронов, соверщающих вынужденные колебания такого же направления под действием поля падающей волны. Если в падающем луче исключить колебания , совершающиеся в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, то он не вызовет колебаний электронов в данном направлении. Интенсивность отраженного луча при угле падения = будет равнанулю, т.е. отраженный луч исчезнет.

Исключить колебания в каком - то заданном направлении

в падающем луче можно с помощью поляризатора, если его плоскость расположить перпендикулярно этому заданному направлению. Эта операция по-существу сводится к поляризации падающего луча. Для этого и используется поляризатор 4 в описываемой лабораторной установке (рис. 5.7).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ УПРАЖНЕНИЯ

1. Включить шнур питания блока лазера в электрическую сеть

с напряжением 220 В.

2. Отрегулировать положение всех частей установки, обеспечивая

наилучшую видимость светового пятна от отраженного луча на

экране 7.

3. Вращая поляризатор,установить его плоскость параллельно плоскости падения луча. Расположение плоскости поляризатора указано двумя диаметрально противоположными белыми рисками на ободе поляризатора. Плоскость падения луча, как легко установить, расположена горизонтально.

4. Поворачивая платформу 6 с исследуемой пластинкой 5 и отсчетным устройством, найти такой угол падения, при котором интенсивность отраженного луча становится минимальной.

5. Осторожно вращая поочередно на небольшой угол поляризатор и платформу, добиться полного изчезновения отраженного луча и записать значение угла падения луча угла Брюстера, полученное на круговой шкале отсчетного устройства.

6. По тангенсу угла определить показатель преломления используемой стеклянной пластинки.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Чем отличается естественный свет от поляризованного,

частично поляризованного, плоскополяризованного?

2. О чем говорит диаграмма направленности электромагнитного

излучения элементарного излучателя?

3. Какой угол называют углом Брюстера?

4. Когда и почему угол между отраженным и преломленным

становится равным 90⁰?

5. Пояснить причины поляризации света при отражении.

6. Что такое степень поляризации? С помощью чего и как ее

можно определить?

7. При каких условиях исчезает отраженный луч?