Лабораторная работа №2.4.3. Получение и исследование поляризованного света

Цель работы: ознакомление с устройством и работой поляризаторов, научиться определять плоскость колебаний светового вектора, степень поляризации света и пользоваться поляризационными приборами.

Оборудование: источник света (лампа накаливания), поляризаторы (поляроиды, стопа Столетова), приемник света (фотоэлемент), гониометр, оснащенный стеклянной пластиной и фотоприемником.

Теоретическая часть

Свет представляет собой электромагнитные волны, длины которых находятся в интервале 0,4 – 0,7 мкм. Химическое и биологическое действие света в основном связано с электрической составляющей поля электромагнитной волны. Поэтому вектор напряженности электрического поля называют световым.

Поляризованным светом называют свет, в котором направление колебаний светового вектора упорядочено каким-либо образом.

Естественный свет представляет совокупность волн, излучаемых множеством атомов и молекул источника. Колебания световых векторов в этом случае проходят во всех возможных направлениях.

При некоторых условиях можно получить свет, в котором плоскость колебаний занимает постоянное положение в пространстве. Такой свет называется плоскополяризованным. Плоскость, в которой происходят колебания , называется плоскостью колебания. Поляризованный свет можно получить из естественного (неполяризованного) с помощью поляризаторов. Поляризаторы пропускают колебания, направленные параллельно одной (главной) плоскости, и полностью задерживают колебания, перпендикулярные этой плоскости. Что бы исследовать, является ли свет после прохождения поляризатора действительно плоскополяризованным, на пути лучей ставят второй поляризатор, который называется анализатором, указывая этим, что он используется не для учения, а дня анализа поляризованного света.

Пусть колебания поляризованной световой волны совершаются в плоскости составляющей

угол φ с главной плоскостью анализатора. Амплитуду A этих колебаний можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие . Первая составляющая пройдет через анализатор, вторая будет задержана им.

Так как интенсивность света , то интенсивность света, прошедшего через анализатор, можно рассчитать по формуле (закону Малюса):

,

где ─ интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор;

φ ─ угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью анализатора.

После прохождения естественного света через поляризатор, свет становится поляризованным, и его плоскость колебаний совпадает с плоскостью поляризатора. Если плоскости поляризатора и анализатора параллельны, т.е. φ=0 (π), то экран, помещенный за анализатором, будет максимально освещенным. Если , то экран будет. На выходе неидеального поляризатора получается свет, в котором колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений. Такой свет называется частично поляризованным. Если пропустить частично поляризованный свет через анализатор, то при вращении поляризатора вокруг направления распространения луча, интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах от до . За один полный оборот два раза будет достигаться максимальное значение и два раза – минимальное значение интенсивности.

Состояние поляризации света принято характеризовать степенью поляризации:

Для плоско поляризованного света P=1, для естественного света P=0 . Понятие степени поляризации не применимо к свету, поляризованному по кругу, или элептически поляризованному свету.

При падении естественного света на границу раздела двух диэлектриков (например, на поверхность стеклянной пластинки) отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, а в преломленном луче – колебания перпендикулярные к плоскости падения. Степень поляризации преломленного и отраженного лучей зависят от угла падения. Френелем получены формулы для расчета амплитуды Е при отраженном свете от диэлектрика:

где составляющая напряженности электрического поля в отраженном свете, перпендикулярная плоскости падения;

─ составляющая напряженности электрического поля в падающем свете, перпендикулярная плоскости падения;

– соответственно компоненты напряженности Е, лежащие в плоскости падения;

угол падения;

угол преломления.

Если = 0 т.к. (

Таким образом, при определенном угле падения, отраженный луч полностью поляризован, так как содержит только колебания, перпендикулярные к плоскости падения. Этот угол падения называют углом Брюстера . Для угла Брюстера выполняется соотношение (закона Брюстера)

Степень поляризации преломленного луча при угле падения, равному , достигает наибольшего значения, но этот луч остается всегда частично поляризованным