Кафедра физики ЛЕКЦИЯ 14 ПЛАН ЛЕКЦИИ 1 Естественный

Кафедра физики ЛЕКЦИЯ 14 ПЛАН ЛЕКЦИИ 1. Естественный и поляризованный свет. 2. Поляризаторы. Степень поляризации. 3. Закон Малюса. 4. Поляризация при отражении и преломлении. Закон Брюстера. 5. Поляризация при двойном лучепреломлении. 6. Интерференция поляризованных волн. 7. Искусственное двойное лучепреломление. Эффект Керра. 8. Вращение плоскости поляризации. Общая физика. «Поляризация света» 1

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Кафедра физики Естественный и поляризованный свет Некоторые свойства световых волн: - световые волны поперечны: векторы и световой волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно лучу; - под световым вектором подразумевают вектор напряженности электрического поля; - свет - это суммарное излучение множества атомов, поэтому естественный (неполяризованный) свет характеризуется множеством равновероятных ориентаций светового вектора. Световая волна, в которой колебания светового вектора какимлибо образом упорядочены, называется поляризованным. Общая физика. «Поляризация света» 2

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Кафедра физики Естественный и поляризованный свет Если колебания вектора происходят только в одной плоскости, проходящей через луч, то это плоско- (линейно-) поляризованная волна. Плоскость, в которой колеблется вектор , называется плоскостью колебаний или плоскостью поляризации*. Другой вид поляризации - вектор вращается вокруг направления распространения волны, одновременно периодически изменяясь по модулю. Если конец вектора описывает эллипс или круг - это эллиптически поляризованная или поляризованная по кругу волна. Общая физика. «Поляризация света» 3

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Кафедра физики Поляризаторы. Степень поляризации Поляризаторы – приборы, позволяющие из естественного света получить плоско-поляризованный. Поляризаторы свободно пропускают колебания светового вектора, параллельные плоскости пропускания поляризатора Колебания, перпендикулярные этой плоскости, задерживаются полностью или частично. Помимо естественного и плоско-поляризованного существует частично-поляризованный света Это «смесь» естественного и плоско-поляризованного света. Если пропустить частично-поляризованный свет через поляризатор, то при вращении прибора вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет изменяться от до. - степень поляризации Общая физика. «Поляризация света» 4

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Кафедра физики Закон Малюса. Поляризаторы можно использовать в качестве анализаторов устройств для определения характера и степени поляризации света. Пусть на анализатор падает плоско-поляризованный свет, вектор которого составляет угол с плоскостью пропускания анализатора. Анализатор пропускает только ту составляющую вектора , которая параллельна плоскости пропускания. , т. е. Интенсивность I пропорциональна квадрату модуля светового вектора ( ), поэтому интенсивность прошедшего света равна: Это закон Малюса - интенсивность падающего плоско-поляризованного света. Общая физика. «Поляризация света» 5

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Кафедра физики Поляризация при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Поляризация света наблюдается при отражении и преломлении света на границе раздела двух прозрачных изотропных диэлектриков (например, воздух - стекло). Если угол падения естественного света отличен от нуля, то отраженный и преломленный пучки оказываются частичнополяризованными. В отраженном луче преобладают колебания вектора , перпендикулярные к плоскости падения, а в преломленном свете – параллельные этой плоскости. Степень поляризации отраженного и преломленного света зависит от угла падения естественного света на границу раздела диэлектриков и показателя преломления. Общая физика. «Поляризация света» 6

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Кафедра физики Поляризация при отражении и преломлении. Закон Брюстера: при падении луча под углом Брюстера отраженный луч является плоскопараллельным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения). Преломленный луч при этом максимально поляризуется. Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Степень поляризации преломленного света повышается при многократном преломлении при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера. Общая физика. «Поляризация света» 7

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Кафедра физики Поляризация при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Пример: для стекла ( =1. 53) степень поляризации преломленного луча примерно 15%. После преломления на восьми – десяти наложенных друг на друга стеклянных пластинках вышедший свет практически полностью поляризован. Такую совокупность пластинок называют стопой. В отсутствие поглощения интенсивность прошедшего через стопу света будет равна половине интенсивности падающего на стопу естественного света. Использование: в газовых лазерах для получения на выходе из лазера плоско -поляризованных лучей. Общая физика. «Поляризация света» 8

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Кафедра физики Поляризация при двойном лучепреломлении При прохождении света через прозрачные кристаллы наблюдается явление двойного лучепреломления. Суть явления: анизотропные (физические свойства зависят от направления) вещества способны расщеплять падающий световой луч на два луча, распространяющихся в разных направлениях с различной фазовой скоростью и поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях. Результат двойного лучепреломления: при падении узкого светового луча на толстый анизотропный кристалл (пример исландский шпат), из него выходят два пространственно разделенных луча. Один из лучей - продолжение первичного, подчиняется обычному закону преломления ( ). Общая физика. «Поляризация света» 9

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Кафедра физики Поляризация при двойном лучепреломлении Второй луч не подчиняется обычному закону преломления. Вышедшие лучи параллельны другу и падающему лучу. из лучей е Первый обыкновенным (о), а о необыкновенным (е). называется второй – Обыкновенный и необыкновенный лучи плоско-поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. В любом анизотропном кристалле имеется, по крайней мере, одно направление, в котором отсутствует двойное лучепреломление. Общая физика. «Поляризация света» 10

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Кафедра физики Поляризация при двойном лучепреломлении В этом направлении падающий пучок света не раздваивается и состояние его поляризации не изменяется. е о Это направление называют оптической осью кристалла. В природе существуют одноосные и двуосные кристаллы. Исландский шпат, турмалин, кварц – одноосные кристаллы. Слюда, гипс, топаз – двуосные. Рассмотрим одноосные кристаллы. Общая физика. «Поляризация света» 11

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Кафедра физики Поляризация при двойном лучепреломлении Плоскость, проходящая через направление луча света и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью одноосного кристалла. Электрический вектор в обыкновенном луче колеблется перпендикулярно главной плоскости, в необыкновенном – в главной плоскости. е о Лучи, вышедшие из кристалла, отличаются только направлением поляризации. Названия обыкновенный и необыкновенный имеют смысл только внутри кристалла. Общая физика. «Поляризация света» 12

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Кафедра физики Интерференция поляризованных волн Для наблюдения интерференции поляризованных недостаточно, чтобы эти волны были когерентными. волн Необходимо еще, чтобы во взаимодействующих лучах колебания вектора происходили в одной плоскости. Обыкновенный и необыкновенный лучи, когерентны, но интерферировать не могут (поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях). Чтобы наблюдать интерференцию поляризованных лучей, необходимо свести ортогональные колебания в одну плоскость. Это можно сделать, пропустив лучи через поляризатор, установленный так, чтобы его плоскость не совпадала с плоскостью колебаний ни одного из лучей. Общая физика. «Поляризация света» 13

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Интерференция поляризованных волн Схема интерференции поляризованных лучей. Кафедра физики Пусть пластинка для поляризации естественного света вырезана из одноосного кристалла параллельно оптической оси. При нормальном падении света обыкновенный и необыкновенный лучи будут распространяться, не разделяясь, но с различной скоростью. Ось Луч 1 За время прохождения через пластинку между лучами возникнет разность хода Луч 2 Пластинка и показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей. Общая физика. «Поляризация света» 14

Кафедра физики ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Интерференция поляризованных волн Таким образом, из пластинки выйдут два поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча 1 и 2, между которыми существует разность хода. В кристалле луч 1 был Ось необыкновенным, луч 2 – Поляризатор обыкновенным. Установим на пути лучей Луч 1 поляризатор так, чтобы плоскость пропускания поляризатора и главная плоскость пластинки располагались под углом 450. Луч 2 Этот угол оптимальный, поскольку после поляризатора амплитуды Пластинка лучей 1 и 2 будут одинаковыми, следовательно, интерференционная картина будет наиболее отчетливой. После поляризатора ранее ортогональные колебания лучей сводятся в одну плоскость, что обеспечивает интерференцию. Общая физика. «Поляризация света» 15

Кафедра физики ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Искусственное двойное лучепреломление Прозрачные тела, в обычных условиях не имеющие двойного лучепреломления, при определенных внешних воздействиях могут приобрести это свойство. Пример: механическая деформация тел. Мерой возникающей оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Из опытов следует, что эта разность пропорциональна напряжению в данной точке тела: Поместим стеклянную пластинку между скрещенными поляризаторами. и (плоскости пропускания поляризаторов. расположены под прямым углом) Общая физика. «Поляризация света» 16

Кафедра физики ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Искусственное двойное лучепреломление Пока стекло не деформировано, такая система не пропускает света. Если пластинку сжать, свет начинает проходить, наблюдаемая в прошедших лучах картина имеет вид цветных полос. Каждая из полос соответствует одинаково деформированным местам пластинки. Следовательно, по расположению полос можно судить о распределении напряжений внутри пластинки. На этом основывается оптический метод исследования напряжений. Общая физика. «Поляризация света» 17

Кафедра физики ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Искусственное двойное лучепреломление. Эффект Керра. Двойное лучепреломление в жидкостях и аморфных телах возникает под действием электрического поля. Это эффект Керра. Эффект Керра безынерционен: переход вещества из изотропного состояния в анизотропное при включении или выключении электрического поля происходит за время порядка 10 -10 с. Следовательно, его можно эффективно использовать в качестве идеального светового затвора в быстропротекающих процессах (например, скоростная фото- и киносъемка). Общая физика. «Поляризация света» 18

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Кафедра физики Вращение плоскости поляризации Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоско-поляризованного света. Это кристаллические тела, например, кварц; чистые жидкости, например, скипидар; некоторые растворы. Кристаллические тела сильнее всего вращают плоскость поляризации в случае, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Угол поворота кристалле: пропорционален пути. , пройденному лучом в - постоянная вращения. Эта постоянная зависит от длины волны. Общая физика. «Поляризация света» 19

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Кафедра физики Вращение плоскости поляризации В зависимости от направления вращения плоскости поляризации оптически активные вещества подразделяют на право- и левовращающие. Все оптически активные вещества могут быть право- и левовращающими. Если между двумя скрещенными поляризаторами поместить оптически активное вещество, то поле зрения просветляется. Чтобы снова получить темноту, нужно один из поляризаторов повернуть на угол. Оптически активные вещества используются для определения концентрации растворов и различных других целей. Общая физика. «Поляризация света» 20