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
Цель работы: изучение поляризации света, методов получения, анализа и применений поляризованного света.
Приборы и принадлежности: источник света - лампа накаливания, поляроиды, люксметр с фотоэлементом, оптическая скамья.
Литература: [1, §§190-196], [2-6],[11, Т.1, с. 693, Т.2, с. 31-36;Т.4,
с. 56-76],[17].
План работы:
1. Линейная поляризация света и поляризаторы
Световая волна является поперечной электромагнитной волной: вектор напряженности электрического поля и вектор напряженности магнитного поля располагаются в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны – вектору плотности потока энергии (вектору Пойтинга) (рис. 7.1).
|
Рис. 7.1. Вектора , и световой волны |
Вектор называется также световым вектором, поскольку при действии света на вещество основное влияние на электроны атомов оказывает электрическое поле волны. Поляризация света – это физическая характеристика оптического излучения, описывающая поперечную анизотропию световых волн, то есть анизотропию в распределении световых векторов. Свет, в котором направления колебаний светового вектора упорядочены каким либо образом называется поляризованным.
Обычные источники света являются совокупностью огромного числа быстро высвечивающихся (10-7 – 10-8 с) элементарных источников (атомов или молекул), испускающих свет независимо друг от друга с разными начальными фазами и разной ориентацией светового вектора плоскости колебаний. Ориентация светового вектора в результирующей волне хаотически меняется во времени, так что в плоскости, перпендикулярной к вектору , все направления вектора оказываются равноправными. Такой свет называется естественным или неполяризованным (рис.7.2а). Если световой вектор изменяется вдоль одного направления, то свет называется линейно или плоско поляризованным, а плоскость, проходящая через векторы , называется плоскостью колебаний светового вектора (или плоскостью колебаний, рис.7.2б). В линейно поляризованной световой волне плоскость колебаний не изменяет с течением времени своей ориентации. Примером полностью или частично поляризованного света (рис.7.2в) может служить излучение лазеров.
Рис. 7.2. Направление светового вектора в неполяризованном (а), плоскополяризованном (б) и частично поляризованном (в) свете
Устройства для получения полностью (в неидеальном случае частично) поляризованного оптического излучения называются поляризаторами. Линейные поляризаторы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости, называемой плоскостью поляризатора и полностью (или частично) задерживают колебания, перпендикулярные этой плоскости. Таким образом, естественный свет, прошедший через линейный поляризатор оказывается полностью или частично плоско поляризованным. При повороте идеального поляризатора на угол вокруг направления луча частично поляризованного света (рис.7.2в), интенсивность прошедшего через поляризатор света меняется от минимального значения до максимального значения . Степенью поляризации света называется величина
. (7.1)
Действие линейных поляризаторов основывается на одном из трех физических явлений: двойном лучепреломлении, линейном дихроизме (это явление используется в данной работе) и поляризации света при отражении.
Свойством двойного лучепреломления, открытым обладают некоторые кристаллы (исландский шпат, кварц, турмалин и т.д.) некубической структуры. Преломляясь в таком кристалле, световой луч разделяется на два луча с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. Один из лучей называется обыкновенным лучом, он поляризован перпендикулярно оптической оси кристалла, другой – необыкновенным. Причиной двойного лучепреломления является зависимость диэлектрической проницаемости , показателя преломления и скорости распространения от направления в кристаллах. Для обыкновенного луча выполняется закон преломления:
, (7.2)
где - скорость распространения обыкновенного луча. Для необыкновенного луча его скорость зависит от направления луча относительно оси кристалла, поэтому закон преломления (7.2) не выполнятся. После выхода из кристалла оба луча распространяются с одинаковой скоростью.
2. Явление дихроизма, строение и применение поляроидов
Различное поглощение веществом света в зависимости от его поляризации (анизотропия поглощения) называется дихроизмом. Поглощение зависит не только от направления распространения, но также и от длины волны, поэтому дихроичные вещества оказываются различно окрашенными при наблюдениях по разным направлениям, откуда и произошло их название. Примером является турмалин, в котором обыкновенный луч поглощается сильнее необыкновенного, в результате при достаточной толщине (1 мм) пластинки естественный свет становится линейно поляризованным. За меру линейного дихроизма принимают величину
, (7.3)
где - коэффициенты поглощения относительно выделенных направлений – оптических или кристаллографических осей, осей молекул и т.д.
Линейные поляризаторы, действие которых основано на явлении линейного дихроизма называются поляроидами. Они представляют собой тонкую поляризующую плёнку, заклеенную для защиты от механического повреждения и действия влаги, между двумя прозрачными пластинками (плёнками). Дихроизм поляроидов обусловлен дихроизмом мельчайших кристалликов (турмалина, йодистого хинина и др.) или молекул полимера, введённых в прозрачную матрицу (из стекла или пластмассы) и пространственно однородно ориентированных в ней. Ориентацию осуществляют с помощью растяжения плёнки, сдвиговых деформаций или иной специальной технологии. Недостатками поляроидов являются относительно низкая стойкость к воздействиям влаги и температуры, невысокое пропускание (30%), спектральная селективность и низкая лучевая прочность, из-за чего их нельзя использовать в достаточно мощных лазерных пучках. Поляроиды применяются для регулировки интенсивности света (например, в очках, спектрофотометрах, фарах автомобилей), получения стереоскопического изображения, в жидкокристаллических экранах. Устройства с жидкокристаллическими экранами (мониторы, телевизоры, мобильные телефоны, калькуляторы) создают изображение с помощью поляризованного света.
3. Закон Малюса
Всякий поляризатор можно использовать в качестве анализатора для исследования поляризованного света. Пусть амплитуда светового вектора после прохождения через первый поляризатор равна . Тогда амплитудное значение светового вектора после прохождения через анализатор П2 (рис.7.5а) определяется проекцией на плоскость пропускания колебаний анализатора (рис. 7.5б):
. (7.5)
Рис.7.5. а) Пропускание естественного света через два поляризатора, второй из них служит анализатором. б) Амплитуды световых векторов после прохождения через первый поляризатора и через второй
Интенсивность луча после прохождения анализатора определяется квадратом амплитуды Е, то есть:
. (7.6)
Это выражение носит название закона Малюса.
При прохождении естественного света через поляризатор его интенсивность определяется средним значением квадрата , то есть уменьшается в два раза
. (7.7)
где и – интенсивности естественного и поляризованного лучей. Если поляризатор дополнительно поглощает свет с коэффициентом поглощения поляризатора , то интенсивность поляризованного луча уменьшается сильнее
, (7.8)
причем при отсутствии поглощения =0. Если в анализаторе П2 также происходит поглощение света, то интенсивность луча равна:
. (7.9)
Экспериментальная установка
Схема установки для получения поляризованного света из естественного и его анализа показана изучения на рис. 7.4.
Рис. 7.4. Схема установки для изучения поляризации света, вид сбоку: 1 – осветитель, 2 – коллиматор, 3,5 – поляроиды, 4 – вращающийся цилиндр со шкалой, 6 – фотоприемник люксметра, 7 – регистратора фототока люксметра
Осветитель и фотоприемник установлены на одном уровне на оптической скамье. Поляроиды установлены в закрытом корпусе. Угол поворота одного поляроида относительно другого определяется по шкале (лимбу) вращающегося цилиндра. Интенсивность света, прошедшего через два поляроида измеряется люксметром – прибором для измерения освещенности (в люксах), состоящим из фотоприемника и регистратора фототока. Люксметр имеет несколько пределов измерения. После измерений люксметр необходимо выключить.
3. Проверка закона Малюса
Выполните следующие измерения, вычисления и построения:
1. Переключите люксметр на предел измерений 30 лк. Вращая цилиндр, добейтесь максимальной освещенности фотоэлемента Emax (это возникает при параллельных осях поляроидов) и запишите его ячейку табл.7.1, соответствующую .
Таблица 7.1
|
Еq, лк |
cosq |
сos2q |
||
|
0о |
||||
|
10о |
||||
|
… |
||||
|
180о |
3. Вычислите значения отношения Eq/Emax, занесите их в табл.7.1.
4. Постройте график зависимости от угла q. На том же графике постройте расчетную кривую . Сравните полученные кривые и сделайте вывод насколько выполняется закон Малюсса.
5. Подсчитайте по формуле (7.1) степень поляризации света прошедшего через первый поляроид.
Контрольные вопросы