Материал: Методические указания для выполнения лабараторных работ. Оптика и атомная физика

Указания по обработке результатов

Используя положение β_max1 первого максимума в табл. 6.1, рассчи-

тайте в табл. 6.2 значения углов φ = β − β_max1 .

2. С учетом значения темнового тока Iт рассчитайте в табл. 6.2 экспе-

риментальные интенсивности I (φ)_эксп .

Используя данные табл. 6.1, найдите выборочным методом макси-

44

Используя данные п. 3, методом переноса погрешностей рассчитайте

степень поляризации света P = P P для P = 95 % . Формулу для P дока-зать. Результаты расчетов поместите в табл. 6.3.

=

Imax − Imin Imax + Imin

Расчет степени поляризации света

Таблица 6.3

Используя I_min и I_max ,найденные в п. 3, рассчитайте коэффициенты

a и b в табл. 6.2.

также нанесите на координатную плоскость (φ, y) .

Сравните экспериментальную и теоретическую зависимости на гра-фике и дайте заключение о справедливости закона Малюса.

Контрольные вопросы

В чем отличие естественного, поляризованного и частично поляри-зованного света?

Какой свет называется плоско поляризованным? Поляризованным по кругу; по эллипсу?

Что называют степенью поляризации света? Как она определяется экспериментально?

Каково назначение поляризатора и анализатора?

Дайте определение понятию «главное сечение поляризатора».

Разъясните принцип действия поляроида.

Будет ли выполняться закон Малюса при прохождении через ана-

лизатор частично поляризованного света?

45

Лабораторная работа 7. Исследование частично поляризованного света

Цель работы: определение степени поляризации частично поляризо-ванного света с использованием поляризатора и анализатора.

Схема установки. Экспериментальная установка (рис. 7.1) состоит из источника естественного света S (лампа накаливания), диафрагмы D, линзы L, сменных светофильтров C (красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый), двух идентичных поляроидов: поляризатора P и анализатора A, фотоэлемента Ф и миллиамперметра PA. В работе используются несовер-шенные поляроиды, поэтому свет на выходе поляризатора P и анализатора A частично поляризован. Угол α между главными сечениями поляризатора и анализатора можно менять вращением анализатора вокруг оси, совпадающей с оптической осью установки.

Рис. 7.1. Установка для анализа частично поляризованного света

Сила тока в цепи фотоэлемента пропорциональна интенсивности света I, падающего после анализатора на фотоэлемент, которая измеряется в услов-ных единицах (в делениях шкалы миллиамперметра).

Общие сведения

Под поляризацией поперечных электромагнитных (ЭМ) волн понимают поведение конца электрического вектора Е при прохождении ЭМ-волной фиксированной точки пространства. Продольные волны не имеют поляриза-ции. Общим случаем поляризации поперечных волн является эллиптическая.

этом случае ЭМ-волна представляет собой спиральную волну, в сечении которой, перпендикулярном направлению распространения волны, конец электрического вектора Е описывает эллипс, ориентированный по или про-

тив часовой стрелки. Частными случаями эллиптической поляризации явля-

46

ется круговая и плоская. В случае волны с плоской поляризацией одна из по-луосей эллипса рана нулю и волна лежит в плоскости, проходящей через направление ее распространения. Все устройства, используемые для получе-ния поляризованного света, называют поляризаторами.

Волна, в которой электрический вектор Е хаотически изменяет свое направление, в плоскости, перпендикулярной направлению ее распростране-ния, называется неполяризованной. Примером такой волны является обычный или естественный свет. Смесь поляризованного и неполяризованного света называют частично поляризованным светом.

Для получения поляризованного света используют различные физиче-ские явления. Одним из таких явлений является отражение света на границе раздела двух сред под углом Брюстера αБ , под которым понимают угол паде-ния α₁ , который вместе с углом преломления α₂ удовлетворяет условию:

=

. Луч света, отраженный под углом Брюстера, полностью линей-

но поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча. Однако такой способ получения линейно поляризованного света не при-

меняют на практике из-за низкой интенсивности отраженного луча и разбро-са направлений отражения лучей около направления угла Брюстера из-за ше-роховатости отражающей поверхности. Так что детектор в результате будет регистрировать частично поляризованный свет.

Наибольшее применение для получения поляризованного света получи-ло явление двойного лучепреломления, которое возникает при падении свето-вого луча под произвольным углом к границе одноосного кристалла, опти-ческая ось которого произвольно ориентирована к его границе. Любая плос-кость параллельная направлению оптической оси кристалла, называется главным сечением кристалла. Обычно используют главное сечение, прохо-дящее через световой луч. В случае двойного лучепреломления внутри кри-сталла возникают два преломленных луча: обыкновенный и необыкновенный, линейно поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Обыкновенный луч подчиняется обычному закону преломления и поляризо-ван в плоскости, перпендикулярной главному сечению кристалла, а необык-новенный – не подчиняется и поляризован в плоскости главного сечения.

Для выделения одного из линейно поляризованных лучей надо на выхо-де кристалла поставить заслонку на пути другого. Но это сделать трудно из-за близости лучей, выходящих из кристалла. Поэтому для устранения одного из лучей используют другие физические явления, например, явление полного

47

внутреннего отражения одного из лучей на границе склейки двух двояко преломляющих призм, изготовленных из одного материала. На этом принци-пе работает призма Николя или николь.

Для получения света с произвольной поляризацией на выходе одноосно-го кристалла его границу срезают параллельно его оптической оси. Вырезан-ный таким способом кристалл называют фазосдвигающей (ФС) пластинкой. Если падающий на ФС пластинку луч света направить перпендикулярно к ее границе, то внутри пластинки возникнут две волны (обыкновенная и не-обыкновенная), поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоско-стях, распространяющиеся в одном направлении с разными скоростями.

Из-за различия скоростей две плоско поляризованные волны приобретут на выходе кристалла относительную разность фаз δ , зависящую от толщины пластинки. При сложении двух взаимно перпендикулярных линейно поляри-зованных сдвинутых по фазе волн на выходе ФС пластинки возникает спи-ральная эллиптически поляризованная волна. При сдвиге фаз между волнами внутри пластинки на величину δ = kπ , где k =1, 2,... , на ее выходе возникнет линейно или плоско поляризованная волна.

Однако, подобрать точно толщину пластинки, обеспечивающую задан-ную разность фаз δ между двумя волнами технологически довольно сложно.

это делается только в случае ответственных экспериментов. Поэтому для получения линейно поляризованного света используют одноосные кристал-

лы, обладающие свойством оптического дихроизма, которые поглощают волны с колебаниями, перпендикулярными к оптической оси кристалла. Та-кие кристаллы называют поляроидами. На практике в качестве поляроидов используют ФС пластинки, в которых есть явление оптического дихроизма.

На выходе поляроида всегда будет линейно поляризованный свет в плоскости главного сечения кристалла. Свойством оптического дихроизма обладают: турмалин, слюда и некоторые полимерные пленки. В полимерных пленках создается искусственная оптическая ось в направлении деформации пленки. Поляроиды являются наиболее простыми и дешевыми устройствами для получения линейно поляризованного света.

данной работе для получения линейно поляризованного света исполь-зуют поляроиды на основе полимерных пленок. Оптические оси поляроидов лежат в параллельных плоскостях, перпендикулярных направлению распро-странения пучка света от его источника. Первый по ходу луча света поляроид

называют поляризатором, а второй однотипный поляризатор – анализатором.

48

Пусть на поляризатор перпендикулярно его оптической оси падает ли-нейно поляризованный свет с амплитудой электрического вектора E₀ , состав-ляющего с его оптической осью угол α . Поляроид спроецирует электриче-ский вектор на направление его оптической оси и на его выходе будет линей-но поляризованная волна с амплитудой E = E0cosα . Колебания, перпендику-

, то с учетом, что среднее значение cos² α = 1 2 , получим для интенсивно-

сти линейно поляризованного света на выходе поляризатора I = I0 2 . Если этот линейно поляризованный свет направить на анализатор, оптическая ось которого составляет с направлением оптической оси поляризатора угол α , то на его выходе в соответствии с законом Малюса будет линейно поляризован-