Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лабораторная работа № 1
ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА
Цель работы:
Приборы и принадлежности: источник света, поляризатор, анализатор, фотоприемник.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Свет - электромагнитные волны таких частот, которые при восприятии глазом производят световые ощущения. Световые волны возникают при переходах электронов, заполняющих электронные оболочки (валентных электронов), из возбужденных энергетических состояний в нижнее стационарное состояние. Длины волн светового диапазона находятся в пределах 4,0-102 - 7,7-102 нм.
Как известно, электромагнитные волны - это распространяющееся электромагнитное поле. В каждой своей точке такое поле характеризуется вектором напряженности электрического поля Е и вектором магнитной индукции В, которые изменяются со временем, но направлены всегда перпендикулярно друг к другу. На рис. 1 показано расположение этих векто ров поля в некоторый момент времени t.
* Световая волна, в которой вектор E колеблется только в одной плоскости, не изменяющей со временем своего положения, называется поляризованной или плоскополяризованной (рис. 1).
Волна, создаваемая каждым элементарным излучателем, оказывается поляризованной. Но все естественные и искусственные источники света (солнце, лампы накаливания и др.) являются системой большого числа
произвольно расположенных элементарных излучателей - атомов, каждый из них создает прерывистое излучение малой длительности порядка 10-8 с. Поэтому в результирующей световой волне, созданной обычным источником света,
положение плоскости колебаний вектора беспорядочно и беспрерывно изменяется.
Такой свет называется естественным или неполяризованным. В естественном свете амплитуда колебаний Е во всех направлениях одинакова.
Световая волна, в которой представлены колебания всех направлений вектора Е, но имеется какое-то преимущественное направление, называется частично поляризованной.
Вектор Е называют световым вектором, а плоскость, в которой он колеблется, плоскостью световых колебаний. Плоскость колебаний вектора B называется плоскостью поляризации волны. Эти две плоскости всегда взаимно перпендикулярны. Свет поляризуется, проходя сквозь кристаллы некоторых веществ, а также при отражении и преломлении на границе диэлектриков. Приборы или устройства, поляризующие свет, называются поляризаторами. Поляризующее свойство поляризатора определяется осью поляризатора.
Ось поляризатора – такое направление, при совпадении с которым вектор Е пропускается через поляризатор с наибольшим значением. Если вектор Е не совпадает с осью поляризатора (рис. 2а), то проходит только та компонента вектора Е, которая совпадает с осью поляризатора Е//.
Е// = Е соs . (1)
Составляющая вектора Е, которая перпендикулярна к оси поляризатора, не проходит через него. В зависимости от типа поляризатора она поглощается, отражается или преломляется. Если на поляризатор падает свет неполяризованный, то пройдут только те компоненты векторов, которые совпадают с осью поляризатора.
Следовательно, на выходе получим свет плоско(линейно) поляризованный. Вектор Е прошедшего света будет направлен по оси поляризатора. Известно, что интенсивность света прямо пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля Е:
, (2)
где - коэффициент пропорциональности.
Возведем левую и правую части равенства (1) в квадрат:
Умножим на обе части: , тогда учитывая, что получим закон Малюса:
. (3)
Интенсивность линейно поляризованного света, прошедшего через поляризатор (I), прямо пропорциональна интенсивности падающего света (I0) и квадрату косинуса угла между вектором E и осью поляризатора Р.
Пусть свет падает на систему, состоящую из двух поляризаторов. После прохождения первого поляризатора свет станет линейно поляризованным. Причем вектор E будет совпадать с осью поляризатора. Затем этот свет будет проходить через второй поляризатор, который будем называть анализатором. Тогда через анализатор пройдет компонента Е// (рис. 2б): Е//= Есоs.
Переходя к интенсивности, получим:
I//= I (4)
где I// - интенсивность света, вышедшего из анализатора;
I - интенсивность света, вышедшего из поляризатора;
- угол между осями поляризатора и анализатора.
Поляризация света характеризуется величиной, названной степенью поляризации р0. Если на пути света поставить анализатор, то при вращении анализатора интенсивность света изменяется.
Пусть - интенсивность света, соответствующая наибольшему значению, - интенсивность света при отклонении поляризатора на /2 от угла, соответствующего наибольшему значению интенсивности . Степень поляризации света определяется формулой (5):
(5)
Для плоско поляризованного света = 0, р0 = 1. Для неполяризованного света , р0 = 0. Для частично поляризованного света р0 принимает промежуточное значение от 0 до 1.
Способы получения поляризованного света (типы поляризаторов)
1.Дихроичные поляризаторы.
Дихроичные поляризаторы используют дихроичные среды, т.е. среды, в которых компоненты вектора световой волны E поглощаются по-разному. Предположим, имеется среда, в которой компонента Еу не поглощается, а Ех поглощается. Тогда на выходе из среды остаются только компоненты, Еу. Свет будет линейно поляризован. Ось «р» совпадает с осью «ОУ».
2.Двойное лучепреломление. Призма Николя.
Среды, в которых по разным направлениям показатели преломления разные, называются анизотропными. В анизотропных средах наблюдается двойное лучепреломление. Луч, падающий на анизотропную среду, разделяется на два луча. Оба луча линейно поляризованы и их поляризации вза имно перпендикулярны.
Один из лучей называется обыкновенным Е0, так как показатель преломления () не зависит от угла падения. Другой называется необыкновенным (Ее), т.к. показатель преломления (пе) зависит от угла падения. Обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются в среде с разными скоростями 0 = с/п0 ,e = с/ пе. Поэтому при прохождении одинакового расстояния «d» между ними будет набег фаз «»:
,
где - длина волны света.
Анизотропией обладают среды, в которых имеется преимущественное направление в кристаллической решетке (исландский шпат, кристаллический кварц). Анизотропные среды используются для получения линейно поляризованного света в призме Николя.
Ход лучей в такой призме показан на рис. 3. Она состоит из двух призм исландского шпата, склеенных канадским бальзамом. Обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение от этого слоя, так как его показатель преломления () больше показателя преломления клея. Необыкновенный луч проходит через призму.
Рис.3
3. Поляризация при отражении. Угол Брюстера
При падении естественного света на границу раздела двух сред возникают два луча: отраженный и преломленный, причем оба луча оказываются частично поляризованными. Если свет падает под углом «ib »
(6)
где - относительный показатель преломления второй среды по отноше нию к первой, то отраженный луч поляризован. Угол падения называется углом Брюстера. При этом отражаются компоненты вектора , которые перпендикулярны плоскости падения (рис. 4).
Преломленный луч будет поляризован частично. Но, если взять большее количество стеклянных пластинок, то при многократном отражении, когда практически все компоненты перпендикулярные плоскости падения, отражаются на выходе из стопы пластинок, получим тоже поляризованный свет. При этом вектор Е// будет лежать в плоскости падения. Такая совокупность пластинок называется стопой Столетова (рис. 5).
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Установка для исследования поляризованного света состоит из источника света Sx, поляризатора (р), анализатора (А) и фотоприемника (Ф) с миллиамперметром (рис. 6).
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Определение степени поляризации осветителя.
Между источником S и фотоприемником оставить только анализатор света. Анализатор приблизить вплотную к фотоприемнику. Вращая анализатор, снять зависимость напряжения U от угла поворота . Изменение угла анализатора происходит через 10° от 0° до 180°.
Данные занести в таблицу 1.
Таблица 1
|
, град |
|||
|
U,мВ |
Построить графики зависимости U от угла поворота . По графику определить наибольшее значение тока . Из графика определить значение напряжения при изменении угла на /2 относительно наибольшего значения По формуле (5) определить степень поляризации источника.
2. Определение степени поляризации р поляризатора.
Поместить между анализатором и источником сначала поляризатор. Снять зависимость напряжения от угла поворота.
Данные занести в таблицу 2.
Таблица 2
|
, град |
|||
|
U,мВ |
Построить график зависимости напряжения U от угла поворота . Определить и . Рассчитать степень поляризации света по формуле (5).
3. Проверка закона Малюса.
На основе графика зависимости напряжения U от угла поворота для поляризатора построить теоретическую зависимость интенсивности излучения от угла поворота (закон Малюса):
. (7)
В качестве взять напряжение при угле =0 из таблицы для поляризатора. По формуле (7) построить зависимость I от .
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
PAGE 5