4. Контрольные вопросы и задания

1. В чем отличие поляризованного света от неполяризованного ?

2. Как отличить свет, поляризованный по кругу, от естественного света ?

3. Описать характер поляризации плоской монохроматической световой волны в зависимости от отношения компонент комплексной амплитуды - электрического поля волны.

4. Описать установку, предложенную Френелем для экспериментального доказательства существования в одной из модификаций кристалла кварца двух циркулярно поляризованных волн.

5. Дать свои соображения относительно прямо пропорциональной зависимости угла поворота плоскости поляризации в растворах оптически активных веществ от концентрации последних.

6. Рассмотреть случай, когда падающий на активное вещество линейно поляризованный свет направлен под углом 45° к оси Х. Провести анализ вращения плоскости поляризации.

7. Пластинка кварца толщиной в 1 мм вырезана перпендикулярно к оптической оси и помещена между скрещенными николями. Будет ли пластинка оставаться освещенной при любой, длине волны падающего света из видимого диапазона? Объясните возникающее явление.

8. Какую минимальную разность показателей преломления право- и левополяризованных по кругу волн (= 5893 А°) можно обнаружить при слое веществаl = 30 см, если измерять угол поворота плоскости поля­ризации с точностью 1° ?

9. Объяснить действие поляризационной призмы Николя. Определить степень поляризации выходящего из призмы излучения при падении на нее естественного света.

10. Сравните действие поляроидной пластинки на поляризованное излу­чение маломощного непрерывного лазера и на естественный свет (в пос­леднем случае для контроля поляризации применить два скре­щенных поляроида).

11. Оценить степень поляризации прошедшего света, отраженного под углом Брюстера от стеклянной пластинки. Падающий свет – естественный.

12. Ветровое стекло и фары автомашины иногда снабжаются пластинками из поляроида. Как должны быть расположены эти пластины, чтобы шофер мог видеть дорогу, освещенную светом его фар, и не страдал от света фар встречных машин? Возможна ли, ситуация, когда при включенных фарах машин водители не увидят машину, едущую навстречу, и произойдет автомобильная катастрофа? Объяснение дать на основании законов оптики.

Интерференция света

Лабораторная работа

Интерференция сферических волн (бипризма френеля)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение явления двухлучевой интерференции с помощью бипризмы Френеля, определение длины световой волны с использование данной интерферометрической схемы.

ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: маломощный непрерывный лазер, две линзы (собирающая и рассеивающая), бипризма Френеля, экран, линейка, оптическая скамья с набором рейтеров.

1. Теоретическая часть [1¸6]

1.1. Интерференция волн

В эксперименте возможна ситуация, когда интенсивность света, создаваемая какими-либо двумя источниками, не равна сумме интенсивностей отдельных источников. Оказывается, что если свет от одного источника разделить прибором на два пучка и заставить их проходить разные пути, а затем наложить их друг на друга, то интенсивность их в области суперпозиции пучков будет изменяться от точки к точке. Она может достигать максимума, превышающего сумму интенсивностей пучков, и минимума, который может оказаться равным нулю. Это явление называется интерференцией. Оказывается, что при суперпозиции пучков строго монохроматического света интерференция возникает всегда. Однако, свет от физических источников никогда не бывает строго монохроматическим. Как следует из теории излучения атома, его амплитуда и фаза флуктуируют непрерывно и так быстро, что ни глаз, ни быстрый физический детектор не могут уследить за их изменениями.

Если две световых волны происходят от одного источника, то возникающие в них флуктуации амплитуды и фазы, вообще говоря, коррелированы, и о таких волнах говорят, что они полностью или частично когерентны, в зависимости от того, будет ли эта корреляция полной или частичной. В общем случае колебания (или волны) называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной (или изменяется по определенному закону) во времени. В световых пучках от разных источников флуктуации совершенно независимы и пучки, как говорят, взаимно некогерентны. При наложении таких пучков от независимых источников интерференция в обычных экспериментальных условиях не наблюдается. Детальный анализ показывает, что «степень корреляции» между флуктуациями в двух световых пучках определяет «четкость» интерференционных эффектов, возникающих при суперпозиции пучков и, наоборот, «степень корреляции» сама определяется этими эффектами.

Рис.1

Рассмотрим вначале классическую схему Юнга наблюдения интерференционной картины для простейшего случая двух гармонических волн. Пусть два точечных источника S₁ и S₂ , расположенных на расстоянии 2l друг от друга излучают две монохроматические сферические когерентные волны и(рис.1). Предположим, что расстояниеD от источников до экрана значительно больше 2l и положим для простоты, что амплитуды волн E₁ и E₂ в точке Р одинаковы и равны Е₀ . Найдем результирующую амплитуду волн в точке Р, если

(1)

Тогда суммарная волна в точке Р:

. (2)

Введем величину, называемую геометрическойразностью хода. Тогда интенсивность света будет равна:

. (3)

Видим, что

при ; (4)

при . (5)

Таким образом, в результате наложения двух когерентных волн мы будем наблюдать в пространстве (или на экране, как это делается в эксперименте) чередующуюся в зависимости от разности хода картину максимумов и минимумов, называемую интерференционными полосами.

1.2. Получение когерентных световых волн с помощью бипризмы Френеля

Для получения когерентных световых волн от реальных источников пользуются следующим искусственным приемом. Волновой фронт разделяют на несколько частей. Полученные таким образом волны проходят различные оптические пути и при дальнейшем сложении уже обладают разностью хода, оставаясь когерентными. Потому, что разность хода зависит только от конструкции прибора.

Рис.2

На рис. 2 приведен способ деления фронта волны на две части с помощью бипризмы Френеля. Важно отметить, что в практических приборах разность хода не делается обычно больше 100 ¸ 200 мм, т.к. длительность излучения атома ~10^-8 с, и при большой разности хода может случиться, что будут складываться волны, полученные уже от разных актов испускания, т.е. когерентность нарушится. Бипризма Френеля имеет малые преломляющие углы (a = 30^/ ) и разность хода, приобретаемая волнами здесь мала. После преломления в бипризме падающий пучок света разделяется на два когерентных пучка с источниками в мнимых изображениях S^‘ и S^“ источника S (рис.3). Вычислим разность хода волн, приходящих в точку Р, через геометрические размеры оптической схемы.

. (6)

Считая, что в практических схемах d » D, ОР = y « D и следовательно: , получим:

Рис.3

(7)

Преобразуя (7), получим:

(8)

Пользуясь условием (4), при котором получается максимум интенсивности на экране, находим:

; (9)

. (10)

Соотношение (10) показывает, что максимумы отстоят друг от друга на равных расстояниях. Обозначая расстояние, соответствующее одному из максимумов y_m , а следующему y_m+1, получим:

. (11)