ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ. Пучок света состоит из огромного числа фотонов, испущенных разными атомами источника света

Пучок света состоит из огромного числа фотонов, испущенных разными атомами источника света. Вследствие того, что атомы излучают фотоны независимо друг от друга, направления колебаний световых векторов в сечении пучка света расположены хаотично. Такой свет называется естественным. Если каким-либо образом упорядочить направления колебаний световых векторов, например, параллельно друг другу, то такой свет будет плоскополяризованным (рис. 1).

Рассмотрим поляризацию света при отражении от диэлектриков. Пусть естественный свет падает под некоторым углом на гладкую поверхность диэлектрика, на которой он частично отражается и частично преломляется. Разложим световые векторы в падающем луче на два направления, параллельно и перпендикулярно плоскости падения.

Отраженный свет состоит из волн, излученных электронами диэлектрика, которые совершают вынужденные колебания под действием электрического поля преломленной волны. Известно, что в направлении колебаний электрон не излучает волн. Рассмотрим отражение компоненты луча света, в которой световые векторы совершают колебания параллельно плоскости падения. Если угол между преломленным лучом света и отраженным будет точно равен 90^о, то направление колебаний электронов диэлектрика окажется параллельным направлению отраженного луча. Но в этом направлении электроны не излучают, и, значит, отраженного луча не будет (рис. 2а).

Но зато отразится вторая компонента луча света, в которой световые векторы совершают колебания перпендикулярно плоскости падения (рис. 2б). Этот свет будет плоскополяризованным. При падении естественного света под другими углами в отраженном свете будут обе компоненты, и свет будет поляризован частично.

При максимальной поляризации угол преломления g = 90 ^о – b, а sin (90^о– β) = cos β. По закону преломления света . Откуда получим

tg b = n. (1)

Это уравнение закона Брюстера: тангенс угла максимальной поляризации света при отражении от диэлектриков равен относительному показателю преломления.

Рассмотрим поляризацию света при прохождении через двоякопреломляющие кристаллы. В анизотропных кристаллах, в отличие от изотропных веществ, физические свойства зависят от направления, например диэлектрическая проницаемость и связанная с ней скорость света. Пусть, например, в простейшем одноосном кристалле скорость распространения света наибольшая, если световой вектор электромагнитной волны перпендикулярен оптической оси кристалла.

Рассмотрим падение на поверхность кристалла естественного света. Представим его в виде двух пучков.

Пусть в первом пучке колебания совершаются в плоскости, в которой лежит оптическая ось кристалла О–О, а в другом – перпендикулярно (рис. 3). По принципу Гюйгенса каждая точка поверхности кристалла является источником вторичных волн. В первом случае волны, распространяющиеся вдоль оси О–О, будут иметь наибольшую скорость, а в других направлениях – меньшую. Огибающая вторичных волн оказывается эллипсоидом, а фронт преломленного пучка, в нарушение закона преломления света, смещается от нормали. Этот луч света называется необыкновенным.

Во втором случае световые векторы всех вторичных волн перпендикулярны оптической оси, скорость света во всех направлениях одинакова и наибольшая, и фронты вторичных волн являются полусферами. Этот луч света распространяется в кристалле по законам преломления света, и его называют обыкновенным.

Таким образом, на выходе из кристалла получается два пучка света, поляризованных взаимно перпендикулярно. В некоторых кристаллах необыкновенный луч гасится на пути в доли миллиметра (явление дихроизма). Кристаллы наносят на прозрачную пленку и защищают стеклами. Такой поляризатор называется поляроидом. Плоскость, в которой колеблется световой вектор прошедшего света, является плоскостью пропускания, П–П.

Рассмотримпрохождение света через два поляризатора. Представим луч естественного света в виде двух лучей (рис. 4). В первом колебания светового вектора параллельны плоскости пропускания поляризатора П–П, и этот луч пройдет в идеальном случае без ослабления. Во втором луче световые векторы перпендикулярны плоскости пропускания, и он полностью гасится. Таким образом, вышедший из поляризатора луч является плоско поляризованным, а его интенсивность равна половине интенсивности падающего на поляризатор естественного света: J _пол= J_ест / 2.

Пусть далее пучок поляризованного света падает на второй поляризатор, который называют анализатором. Через него пройдет только та составляющая, в которой световой вектор параллелен плоскости пропускания: Е _ан = Е _пол cos a. Интенсивность света пропорциональна квадрату светового вектора. Поэтому

J _ан = J _пол cos ² a. (2)

Это закон Малюса: интенсивность поляризованного света после прохождения анализатора пропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостью колебаний светового вектора в падающем поляризованном свете и плоскостью пропускания анализатора.

В лабораторной установке выполняется два задания: определение угла Брюстера и проверка закона Малюса. В первом задании естественный свет лампы накаливания отражается от стеклянной пластинки и улавливается фотоэлементом (рис. 5). Пластинку можно поворачивать. Перед фотоэлементом расположен анализатор, плоскость пропускания которого параллельна плоскости падения света на пластинку. Этим отсекается вторая компонента света (рис. 2б). Интенсивность пропорциональна фотоЭДС, которая измеряется цифровым милливольтметром. При проверке закона Малюса свет от лампы проходит через поляризатор, поляризуется и попадает через анализатор на фотоэлемент. Плоскость пропускания анализатора можно по
ворачивать вокруг исследуемого луча.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Включить блок питания БП в сеть 220 В. Включить тумблеры блока питания и милливольтметра. Убрать поляризатор с линии луча. Установить на поворотный столик блок стеклянных пластинок. Повернуть анализатор так, чтобы расположить указатель плоскости пропускания (стрелку) горизонтально.

2. Повернуть столик со стеклянными пластинками, направив пучок света под небольшим углом (15^о) к нормали пластинок. Поймать отраженный пучок света фотоэлементом, поворачивая кронштейн фотоэлемента. Покачать кронштейн в небольших пределах угла так, чтобы показания милливольтметра стали максимальными.

Повторить измерения, изменяя угол падения пучка света на зеркало в пределах 15 ^о – 70^о через каждые 5^о или чаще. Записать результаты измерения угла падения и фотоЭДС в табл. 1.

Выключить блок питания. Таблица 1

3. Построить график зависимости фотоЭДС от угла падения света на пластинки. Размер графика не менее половины страницы. На осях координат указать равномерный масштаб. Провести около точек плавную линию.

4. Определить по графику угол, при котором фотоЭДС минимальна. По закону Брюстера (1) определить показатель преломления.

5. Включить блок питания. Произвести проверку закона Малюса. Для этого убрать стеклянную пластинку со столика. Поставить перед лампой поляризатор. Расположить анализатор с фотоэлементом на линию пучка света.

Поворачивая плоскость пропускания анализатора в пределах от 0 до 90^о, через каждые 10^о произвести измерения фотоЭДС при разных значениях угла. Результаты записать в табл. 2. Выключить установку.

6. Произвести расчеты. Вычесть естественную составляющую света, попадающего на фотоэлемент, J ₉₀ из всех результатов. Определить значения cos ² a с помощью калькулятора. Записать в табл. 2.

Таблица 2

7. Построить график зависимости интенсивности поляризованной компоненты света J –J ₉₀ от квадрата косинуса угла между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора. Размер графика не менее половины страницы. На осях координат нанести равномерный масштаб. Провести из начала координат около точек прямую линию так, чтобы отклонения были минимальными. Сделать выводы о выполнении закона Малюса.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение естественного и поляризованного света.

2. Объясните образование поляризованного света при отражении света от поверхности диэлектриков. Выведите закон Брюстера.

3. Объясните явление двойного лучепреломления. Каким образом из кристаллов получают поляризаторы?

4. Объясните преобразование пучка естественного света при прохождении через поляризатор и анализатор. Выведите закон Малюса.

5. Объясните способ определения степени поляризации света с помощью анализатора.

6. Как следует расположить плоскость пропускания анализатора при проверке закона Брюстера?

Работа 38

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: