Контрольные вопросы

Дайте определение угла Брюстера.

Какова поляризация отраженного света, если угол падения равен углу Брюстера?

Какими причинами периментальных значений

вы объясните расхождение теоретических и экс-R ⊥(θБ ) и R (θБ ) при угле Брюстера?

Какова поляризация преломленного луча? Будет ли она меняться, если пластину заменить набором сложенных вместе стеклянных пластин (стопой Столетова)?

Лабораторная работа 9. Поляризация света. Закон малюса. Угол брюстера.

Цель работы: Изучение поляризации света при отражении и преломлении:

Определение степени поляризации излучения лазера,

Проверка закона Малюса,

Определение угла Брюстера при отражении света от стекла,

Определение степени поляризации света при преломлении. Оборудование: Модульный учебный комплекс МУК-ОВ.

Общие сведения

Естественный свет (солнечный свет, свет ламп накаливания и др.) есть совокупность световых волн со всевозможными направлениями плоскостей,

которых происходят колебания вектора Е, перпендикулярных к направле-нию распространения, быстро и беспорядочно сменяющими друг друга. Та-кой характер колебаний обусловлен спецификой излучения света. Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых его атомами. Процесс из-

лучения отдельного атома длится около 10^–8 с. За это время испускается цуг волн протяженностью примерно 3 м. Через некоторое время после излучения атом возбуждается и снова начинает излучать. Цуги волн, излучаемые ими, накладываются друг на друга, образуя световую волну. Одновременно наблюдается излучение огромного числа атомов, посылающих свет с различ-

58

ным направлением плоскости колебаний векторов Е и H. Кроме того, в есте-ственном свете наблюдается быстрая смена ориентацией этих плоскостей.

Свет, направление колебаний в котором упорядочены каким-либо обра-зом, называют поляризованным. Свет, в котором имеется единственное направление колебаний вектора Е (а, следовательно, и H), называют плоско поляризованным (или линейно поляризованным). Если конец вектора Е опи-сывает эллипс – эллиптически поляризованным. В случае если конец вектора

описывает окружность, свет называется поляризованным по кругу. Изучение поляризованного света выполняется с помощью поляризаци-

онных приборов. Если поляризационный прибор используется для получения поляризованного света из естественного, то он называется поляризатором. Если же он используется для анализа поляризованного света, то называется анализатором. То есть является данное устройство поляризатором или ана-лизатором зависит только от того, для чего оно используется в конкретном опыте. В данной работе в качестве поляризатора и анализатора используются поляроиды. Так называются изготовленные из специальной плёнки свето-фильтры, действие которых основано на явлении двойного лучепреломления.

Для проведения анализа поляризованного света необходимо вращать ана-лизатор вокруг направления луча и измерять интенсивность прошедшего света.

Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний век-тора Е, но при этом имеются и другие направления колебаний, называют ча-стично поляризованным. Степень поляризации частично плоско поляризо-ванного излучения определяется по формуле:

P =	I	max	− I	min
			+ I
	I
		max		min

(9.1)

где I_max и I_min – соответственно максимальное и минимальное значения ин-тенсивности проходящего света.

Ещё одним способом получения поляризованного света (помимо двой-ного лучепреломления) является его отражение и преломление на границе раздела двух изотропных диэлектриков. Пусть на границу раздела диэлек-триков 1 и 2 падает естественный свет. Отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, в преломленном – па-раллельные этой плоскости.

Если свет падает на границу раздела двух сред под углом Брюстера, то отраженный луч полностью поляризован в перпендикулярном направлении,

59

преломленный же луч остаётся поляризован частично, однако степень его поляризации достигает наибольшего значения. Угол между преломленным и отраженным лучами составляет 90°. Если преломленные лучи подвергнуть второму, третьему и т. д. преломлениям, то степень поляризации преломлен-ных лучей возрастает. Если имеется 8–10 пластинок (стопа Столетова), то при падении под углом Брюстера и отраженный и прошедший свет практиче-ски оказываются полностью поляризованными.

Если на границу раздела двух диэлектриков под углом Брюстера падает плоско поляризованный свет (например, излучение лазера) с направлением коле-баний вектора Е в плоскости падения волны, то отраженная волна отсутствует. Это объясняется тем, что в падающей волне нет колебаний светового вектора в перпендикулярной плоскости, необходимых для создания отраженной волны.

Угол Брюстера определяется следующим соотношением:

tgαБр = n12

(9.2)

где n₁₂ – показатель преломления второй среды, относительно первой.

Это соотношение носит название закона Брюстера.

Излучение лазера, которое исследуется в лабораторной работе – частич-но поляризованное.

Если на анализатор падает плоско поляризованный свет, то интенсив-ность прошедшего света I_p определяется законом Малюса:

Ip = I0cos2φ

(9.3)

где I₀ – интенсивность света, падающая на анализатор, φ – угол между плос-костью колебаний вектора Е и плоскостью пропускания анализатора.

Указания по проведению измерений

Определение степени поляризации излучения полупроводникового лазера.

Включить лазерный источник, соблюдая правила техники безопас-

ности. Верхнюю турель установите так, чтобы излучение выходило беспре-пятственно;

1.2. На фотоприёмнике установите диапазон λ₄= 0.4…1.2 мкм;

1.3. На пути лазерного луча поворотом турели поместите анализатор (или поляризатор);

1.4. Вращая анализатор (или поляризатор) и непрерывно следя за пока-заниями цифрового индикатора интенсивности измерить максимальное I_max

минимальное I_min. значения относительной интенсивности проходящего излучения. Измерения выполнить три раза. Результаты записать в табл. 9. 1.

60

Проверка закона Малюса.

2.1. Схема установки для проверки закона Малюса состоит из источника света – лампы накаливания (белый свет) поляризатора, анализатора, фото-приёмника;

2.2. Включить лампу белого света. Вращая верхнюю турель установить её так, чтобы излучение выходило беспрепятственно. Поворачивая соответ-ствующие турели установить поляризатор и анализатор. Вращая поляризатор

анализатор в оправах установить их таким образом, чтобы стрелки указате-лей угла поворота указывали на ноль. Убедиться, что такому состоянию со-

ответствует максимальный отсчёт регистратора интенсивности; 2.3. На фотоприёмнике выбрать диапазон λ₃=0.4...0.9 мкм;

2.4. Вращая анализатор, снять зависимость относительной интенсивно-сти I_φ от угла поворота анализатора φ через каждые 10° от φ = 0⁰ до φ = 150⁰

(всего 16 точек, можно вращать либо по часовой стрелке, либо против); 2.5. Результаты измерений занести в таблицу 9.3.

Определение угла Брюстера для стекла.

Для определения угла Брюстера используется устройство, содержащее вращающуюся стеклянную пластинку, отражённый свет от которой падает на матированную пластинку с измерительной шкалой.

3.1. Включите лазерный источник света, строго соблюдая порядок включения и правила техники безопасности;

3.2. Поворотом верхней турели по ходу луча установите поляризатор;

3.3. Стрелку поляризатора, установите на 0°. Теперь после поляризатора распространяется свет, плоскость колебаний светового вектора E вкотором лежит в плоскости падения его на стеклянную пластинку;

3.4. Поворотом расположенной ниже турели установите по ходу луча стеклянную пластинку;

3.4. Вращая стеклянную пластинку вокруг горизонтальной оси с помо-щью расположенных на ее оси ручек пронаблюдайте за изменениями интен-сивности луча лазера, отраженного на вертикальную шкалу;

3.5. Установите пластинку под углом Брюстера. При этом интенсивность отраженного луча достигает минимума. Определите по шкале численное зна-чение полученного угла α_Бр.

Определение степени поляризации преломлённого света.

Включите источник белого света;

61

4.2. Не меняя угла поворота пластинки установите приспособление для измерения угла Брюстера на пути белого света;

4.3. Установите между стеклянной пластинкой и окном фотоприемников анализатор, повернув соответствующую турель. Нажатием кнопки подключите фотоприемник с широким рабочим диапазоном длин волн λ₃ = 0.4..0.9 мкм. Вращая анализатор, зафиксируйте и запишите максимальное I_max и мини-мальное I_min значения интенсивности света;

Опыт выполните три раза;

Результаты измерений занесите в табл. 9.4.

Указания по обработке измерений

Заполните табл. 1 и рассчитайте по ней выборочным методом степень

поляризации излучения полупроводникового лазера P = P P , для N = 3 . Сделать вывод относительно поляризации лазерного излучения;

Выполнить вычисления в табл. 3. На миллиметровой бумаге на одном графике построить зависимости значений I_φ/I₀ и cos²φ от угла φ. Сделать вы-

вод о справедливости закона Малюса в данном опыте;

Используя полученное в п.3.5 значение угла Брюстера по формуле (9.3) определить показатель преломления стекла n₂₁. Результат сравнить с

табличным значением;

Заполните табл. 9.4 и рассчитайте по ней степень поляризации ча-стично поляризованного света, преломленного стеклянной пластинкой (как

п.1). Полученный результат сравнить с табличным значением.

Отчёт по лабораторной работе 9 Поляризация света. Закон Малюса. Угол Брюстера

Таблица 9.1

Выборка значений степени поляризации излучения лазера Θ_I = 0.01

Номер	Imax	Imin	P =	I max − Imin	P =	2 I
измерения				I max + Imin		I max	+ Imin

1

2

3

62

Таблица 9.2

Обработка данных косвенных измерений выборочным методом

Формула

f

=

1

f

i

R

f

= f

max

− f

min

N

= P

f	=	1	fi	f = f +	f	f = ff
		N

f		=	P , N	R	f

Продолжение табл. 9.2

f =	f	100 %
	f

Таблица 9.3