12 Законы поляризации света

12.1 Цель работы

Целью работы является изучение законов поляризации света и практического их применения.

12.2 Теоретическое введение

Свет представляет собой физический объект сложной природы: в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других – как поток фотонов. В данной работе рассматриваются законы поляризации света, в основе которых лежит волновая природа света.

Волнами называются колебания, распространяющиеся в пространстве и несущие с собой энергию. Перенос энергии волной осуществляется без переноса вещества. При прохождении волны каждая точка среды колеблется около положения равновесия. Колебаниями называются периодически повторяющиеся во времени процессы. Различные формы волн представлены на рисунке 12.1. Одиночной волной или импульсом называется короткое

менное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. В электромагнитной волне переменное электрическое поле порождает переменное магнитное, которое в свою очередь порождает электрическое поле. Таким образом, электрические и магнитные поля

132

плоскости поляризатора, имеет интенсивность, пропорциональную cos2ϕ. В естественном свете все значения ϕ равновероятны. Поэтому доля света, прошедшего через поляризатор, будет равна среднему значению cos2ϕ, то есть ½. При вращении поляризатора вокруг направления естественного луча интенсивность прошедшего света остается одной и той же, изменяется лишь

Из поляризатора выйдет плоскополяризованый свет, интенсивность которого Iп равна (при отсутствии потери световой энергии):

где ϕ – угол между плоскостью поляризатора и плоскостью анализатора. Соотношение (12.2) носит название закон Малюса.

При прохождении света через поляризатор и анализатор происходит потеря световой энергии, коэффициенты определяются опытным путем с помощью формул:

где k1 и k2 – коэффициенты потерь поляризатора и анализатора соответственно; Iп – интенсивность света, ослабленного поляризатором, В2/м2; Iϕ=0 – интенсивность света, прошедшего анализатор, плоскость пропускания которого располагается параллельно плоскости пропускания поляризатора.

Запишем закон Малюса с учетом формулы (12.1) и потерь световой энергии в поляризаторе и анализаторе:

134

Свет, прошедший через поляризатор, никогда не бывает полностью поляризованным, он выходит частично поляризованным. Свет, в котором колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений, называется частично поляризованным. Для характеристики поляризованного света вводится величина, называемая степенью поляризации. Если пропустить частично поляризованный свет через поляризатор, то при вращении прибора вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах от Imax до Imin , как показано на рисунке 12.6, причем переход от одного из этих

Поляризатор

Частично поляризованный

свет

Imax

Imin

Рисунок 12.6 – Изменение степени поляризации

состояний к другому будет совершаться при повороте на угол ϕ = π/2 (за один полный поворот два раза будет достигаться максимальное и два раза минимальное значение интенсивности). Степень поляризации – это отношение разности максимальной интенсивности (Imax) и минимальной (Imin) к их

θсумме:

плоскости падения (на рисунке 12.7 эти колебания обозначены точками), в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения (на рисунке 12.7 они изображены двусторонними стрелками). Таким образом, преломленные и отраженные лучи являются частично поляризованными. Степень поляризации зависит от угла падения и коэффициентов преломления сред. Существует угол, называемый углом Брюстрера, при котором

135

отраженный луч полностью поляризован. Угол Брюстера определяется из условия перпендикулярности отраженного и преломленного лучей и находится по формуле:

где n1 – показатель преломления среды, из которой свет приходит; n2 – показатель преломления среды, на границе которого происходит отражение и преломление света.

12.3Описание установки

12.3.1Устройство и принцип работы комплекса

поля зрения); 5 – двулучепреломляющий одноосный образец, используемый в работах по

поляризации света, конструктивно выполнен аналогично 4 (стрелка показывает направление главной оптической оси);

136

6 – блок для измерения угла Брюстера состоит из стеклянной пластинки с поворотным устройством и отсчетной вертикальной шкалой 9, закрепленной на стойке 8; 7 – анализатор, выполненный аналогично 4;

8– стойка, служащая вертикальной оптической скамьей;

9– шкала;

10– основание установки;

11– электронный блок;

12– индикатор измерений амперметра-вольтметра;

13– индикатор режима измерений амперметра-вольтметра;

14– индикатор включенного источника излучения;

15– регулятор накала белого осветителя;

16– кнопка переключения режима измерений блока амперметра-вольтметра;

17– кнопка включения лазера;

18– ручка установки относительной интенсивности «J/J0»;

19– кнопка переключения фотоприемников;

20– индикатор относительной интенсивности излучения;

21– индикаторы включенного фотоприемника;

22– кнопка включения «Сеть»;

23– окно фотоприемников белого осветителя;

24– окно фотоприемника лазерного излучения;

25– кнопка включения белого света.

12.4 Условия безопасности труда

12.4.1К работе с комплексом допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности.

12.4.2Категорически запрещается работать с электронным блоком со

снятым защитным кожухом.

12.4.3Запрещается вставлять и вынимать вилку питания при нажатой кнопке «Сеть».

12.4.4Категорически запрещается включать и выключать кнопку «Сеть» электронного блока при включенном лазере (это приводит к выходу из строя лазера).

12.4.5Время между включением и выключением кнопки «Сеть» должно составлять не менее 10 секунд.

12.4.6Время между включением и выключением лазера должно составлять не менее 10 секунд.

12.4.7Категорически запрещается вносить в рабочую область предметы, способные отражать лазерное излучение (браслеты, зеркала, кольца

ит.п.).

12.4.8Категорически запрещается смотреть на прямое лазерное

излучение.

137

12.5Экспериментальная часть

12.5.1Определение угла Брюстера

12.5.1.1Включить полупроводниковый лазер кнопкой 17 (см. рису-

нок 12.8).

12.5.1.2Повернуть турель 2 с дифракционными объектами так, чтобы все они были выведены, а на пути лазерного пучка света располагалось отверстие в этой турели.

12.5.1.3Установить на пути пучка света блок 6.

12.5.1.4 Вращая стеклянную пластинку вокруг горизонтальной оси с помощью ручек (прикасаться к стеклу не рекомендуется), следить за изменением интенсивности луча лазера, отраженного на вертикальную шкалу 9. Обратить внимание на то, что интенсивность отраженного луча при некотором угле падения на пластинку имеет минимальное значение.

12.5.1.5 Установить пластинку под углом Брюстера. При этом интенсивность отраженного луча достигнет минимума. Определить по шкале 9 численное значение угла Брюстера.

12.5.1.6 Пользуясь измеренным значением αб и законом Брюсте-

ра (12.7), вычислить показатель преломления стекла, из которого изго-

товлена пластинка.

12.5.1.7 Выключить полупроводниковый лазер кнопкой 17.

12.5.2 Определение степени поляризации частично поляризованной световой волны

12.5.2.1Включить лампу накаливания (кнопка 25).

12.5.2.2Ручку 15 установить в крайнее правое положение.

12.5.2.3 Установить на пути света блок 6, при этом желательно, чтобы угол наклона стеклянной пластинки, соответствующий углу Брюстера, сохранился.

12.5.2.4 Установить между стеклянной пластинкой и окном фотоприемника 23 анализатор 7. Стрелку указателя оси пропускания анали-

затора поставить на 90°.

12.5.2.5 Нажатием кнопки 19 подключить фотоприемник с рабочим диапазоном длин волн λ2 = 0,94 мкм.

12.5.2.6Кнопкой 16 переключить на измерение напряжения (U, В).

12.5.2.7Вращая стрелку анализатора 7 вправо или влево от началь-

ного положения (90°), зафиксировать максимальное и минимальное значения светового пучка, прошедшего через анализатор и записать в табли-

цу 12.1.

12.5.2.8Пользуясь формулой (12.6), определить степень поляризации света, преломленного стеклянной пластинкой, расположенной под углом Брюстера.

12.5.2.9Повернуть стеклянную пластинку в горизонтальное положение. Повторить опыт по определению степени поляризации преломляемого све-

138

та (12.5.2.6–12.5.2.8). Записать в таблицу 12.1 и объяснить различие в результатах.

12.5.2.10 Кнопкой 25 выключитьлампу накаливания.

Таблица 12.1 – Результаты измерений и вычислений

12.5.3Изучение закона Малюса

12.5.3.1Включить лампу накаливания (кнопка 25).

12.5.3.2 Вывести из пучка света как поляризатор 4, так и анализатор 7. 12.5.3.3 Нажатием кнопки 19 подключить фотоприемник с узким

диапазоном рабочих длин волн λ1 = 0,65 мкм (видимый свет). 12.5.3.4 Ручку 18 установить в крайнее левое положение.

12.5.3.5 Ручку 15 установить в крайнее левое положение. Полученное на приборе 20 численное значение интенсивности естественного света I0 записать. При дальнейших измерениях ручку 18 не вращать.

12.5.3.6 Ручку 15 установить в крайнее правое положение. Ввести в световой пучок поляризатор 4, повернув его турель вправо до упора. Стрелку указателя оси пропускания поляризатора поставить на 90°.

12.5.3.7 Снять показания прибора 20, которое равно интенсивности Iп света, ослабляемого поляризатором.

12.5.3.8 По формуле (12.3) определить коэффициент потерь k1. 12.5.3.9 Ввести в световой пучок анализатор 7. Установить стрелку,

указывающую направление плоскости пропускания анализатора параллельно стрелке поляризатора.

12.5.3.10 Снять показание прибора 20, которое равно теперь интенсивности Iα=0 света.

12.5.3.11 По формуле (12.4) определить коэффициент потерь k2 анализатора.

12.5.3.12 Установить угол между плоскостью пропускания поляризатора и анализатора ϕ = 45°. Для этого поставить стрелку, указывающую

направление плоскости пропускания анализатора, на угол ϕ = 45°. 12.5.3.13 Записать полученное на приборе 20 значение интенсивности

света I, прошедшего через систему поляризатор-анализатор.

12.5.3.14 Сравнить полученное опытное значение интенсивности I со значением, которое предсказывает закон Малюса (12.5), записанный с учетом найденных в 12.5.3.8 и 12.5.3.11 коэффициентов потерь световой энергии. При этом использовать значение I0, полученное ранее в 12.5.3.5.

12.5.3.15Ручку 15 вывести в крайнее левое положение и кнопкой 25 выключить лампу.

12.5.3.16Записать полученные результаты и сделать выводы по всей работе (12.5.1, 12.5.2, 12.5.3).

139