Лекция 7 Поляризация света Основные темы лекции

Лекция № 7. Поляризация света Основные темы лекции: 7. 1. Естественный и поляризованный свет 7. 2. Закон Малюса 7. 3. Поляризация света при его отражении и преломлении. Закон Брюстера 7. 4. Поляризация при двойном лучепреломлении 7. 5. Устройства для получения поляризованного света

7. 1. Естественный и поляризованный свет. Длительность цуга волн τ ~ 10 -8 с.

Свет называется поляризованным, если колебания вектора напряженности электрического поля упорядочены каким-либо образом Поляризаторы – устройства для получения поляризованного света. Свет, в котором вектор колеблется в одной плоскости, направление которой не меняется с течением времени, называется плоскополяризованным (линейнополяризованным)

Поляризатор называется несовершенным, если он не полностью гасит колебания, перпендикулярные его плоскости поляризации.

Круговая и эллиптическая поляризация

- интенсивности, соответствующие плоскостям максимального и минимального значения амплитуд частично поляризованного света. Степень поляризации: (7. 1) Плоскополяризованный свет Естественный свет (или поляризованный по кругу)

7. 2. Закон Малюса. Интенсивность поляризованного света, падающего на поляризатор Интенсивность света, прошедшего поляризатор

Тогда Закон Малюса: (7. 2) Интенсивность света, прошедшего поляризатор, равна интенсивности падающего на поляризатор поляризованного света, умноженной на квадрат косинуса угла между плоскостью поляризации падающего света и плоскостью поляризации поляризатора.

Естественный свет k –коэффициент поглощения света в материале поляризатора

Задача 7. 1 Во сколько раз уменьшится интенсивность естественного света, прошедшего через систему из поляризатора и анализатора, плоскости поляризации которых составляют угол 60º? Потери света на поглощение в каждом поляризаторе составляют 10%. Дано: φ = 60º k = 0, 1 Iест/I 2 - ?

7. 3. Поляризация света при его отражении и преломлении. Закон Брюстера. Степень поляризации отраженного и преломленного лучей зависит от угла падения i 1. Угол падения, при котором степень поляризации максимальна, называется углом Брюстера. (7. 3) n 21 – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Закон Брюстера: Если свет падает на границу раздела двух диэлектриков под углом падения, равным углу Брюстера, то степень поляризации отраженного и преломленного лучей максимальна. Причем отраженный луч полностью поляризован (в плоскости перпендикулярной плоскости падения), а преломленный – частично (преимущественно в плоскости падения)

Если свет падает под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно ортогональны.

Свет падает на плоско-параллельную пластину под углом Брюстера.

Падающая волна возбуждает колебания электронов, которые становятся источником вторичных волн. Результат их интерференции – отраженная и преломленная волны.

Задача 7. 2 Предельный угол полного внутреннего отражения луча на границе жидкости с воздухом равен 45º. Каким должен быть угол падения луча из воздуха на поверхность жидкости, чтобы отраженный луч был полностью поляризован? Дано: Отраженный луч полностью поляризован, когда свет падает под углом Брюстера.

Показатель преломления жидкости найдем из закона преломления И, наконец:

7. 4. Поляризация при двойном лучепреломлении. 1669 г. Э. Бартолин «Опыты с кристаллами исландского шпата, которые обнаруживают удивительное и странное преломление» . «о» - обыкновенный луч «е» - необыкновенный луч 1. Оба луча параллельны другу и падающему лучу. 2. Интенсивности обоих лучей одинаковы. 3. Оба луча поляризованы во взаимно-перпендикулярных направлениях.

Оптическая анизотропия кристаллов n - показатель преломления среды ε - диэлектрическая проницаемость среды - кристалл изотропный } - кристалл одноосный - кристалл двуосный В кристалле наблюдается двойное лучепреломление

Оптической осью называется направление в кристалле, по которому обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются не разделяясь и с одной скоростью. Плоскость, проходящая через направление данного луча и оптическую ось, называется главным сечением кристалла для данного луча. «о» - вектор Е перпендикулярен главному сечению «е» - колебания вектора Е происходят в главном сечении.

Дихроизм – явление различного поглощения обыкновенного и необыкновенного лучей. Явления дихроизма используется для получения поляризованного излучения Турмалин ( «обыкновенный» луч полностью поглощается на длине около 1 мм).

Эллиптически-поляризованный свет На кристаллическую пластину (║оптич. оси ОО') падает нормально линейно поляризованный свет, плоскость поляризации которого составляет угол φ с ОО'). В кристалле будут распространятся две волны. Обе волны распространяются в одном направлении Оптическая разность хода: h - толщина пластины

Связь разности фаз с оптической разностью хода: Разность фаз: Из кристалла будут выходить две волны, плоско поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях. v Пластинка в четверть волны

v Пластинка в полволны. Свет, вышедший из пластины - линейно-поляризованный, но плоскость поляризации повернется на 2φ v Компенсатор –устройство, позволяющее скомпенсировать v до 0 любую разность фаз Компенсатор и пластинка в четверть волны используются, чтобы отличить естественный свет от поляризованного по кругу и частично-поляризованного от эллиптически-поляризованного.

7. 5. Устройства для получения поляризованного света. 1. Поляроиды – полимерные пленки, содержащие кристаллы или органические молекулы, обладающие дихроизмом. 2. Поляризационные призмы (на примере призмы Николя) Са. СО 3

3. Стопа Столетова – ряд прозрачных пластин или пленок, установленных под углом Брюстера. 16 пластин η=0, 99

7. 6. Искусственное двойное лучепреломление. 7. 6. 1. Анизотропия при деформациях. (7. 4) σ - напряжение, k - коэффициент, зависящий от свойств вещества

7. 6. 2. Эффект Керра. Эффектом Керра называется возникновение двойного лучепреломления в жидкостях и аморфных телах под воздействием электрического поля. (7. 5) B – постоянная Керра.

• Обычно: B > 0, т. е. ne > no; • Спирт, этиловый эфир: Нитробензол: B < 0, т. е. ne < no. В = 2, 2· 10 -10 см/В 2 Инерционность: Ш -9 с – ориентационный эф. Керра (полярные диэлектрики) 10 Ш -13 с – поляризационный эф. Керра (неполярные диэлектрики) 10 С ростом температуры постоянная Керра уменьшается. Ячейка Керра - электрооптическое устройство, основанное на эффекте Керра, применяемое в качестве оптического затвора или модулятора света. Является наиболее быстродействующим устройством для управления интенсивностью светового потока (скорость срабатывания ).

7. 6. 3. Эффект Поккельса. Эффектом Поккельса называется возникновение двойного лучепреломления в кристаллах под воздействием электрического поля. ne – n 0 ~ E (7. 6) Инерционность: 10 -13 с Малая инерционность позволяет использовать э. П. для модуляции добротности лазеров, с помощью которой получают гигантские по мощности световые импульсы малой длительности. Э. П. находит применение также в системах углового отклонения светового пучка и в устройствах создания двумерного оптического изображения.

7. 6. 4. Эффект Коттона - Мутона. Эффектом Коттона - Мутона называется возникновение двойного лучепреломления в веществе под действием поперечного магнитного поля. (7. 7) Исследования эффекта Коттона – Муттона позволяют получить информацию о структуре молекул, образовании межмолекулярных агрегатов и подвижности молекул. Э. К. -М. используют для измерений анизотропии диамагнитной восприимчивости молекул, изучения структуры примесных центров и магнитных свойств электронных оболочек. В Германии использовали э. К. -М. для изучения взаимодействий лекарства с ДНК непосредственно в живых клетках.

7. 7. Вращение плоскости поляризации. 7. 7. 1. Естественное вращение. Вещества, способные вращать плоскость поляризации проходящего через них света называются оптически активными. Пример: кварц, скипидар, никотин, водные растворы сахара и т. п. (7. 8) l – толщина оптически активного слоя; α – постоянная вращения. Для кварцевой пластинки толщиной в 1 мм углы поворота желтого и фиолетового света равны 20° и 50° соответственно.

7. 7. 2. Эффект Фарадея. Эффектом Фарадея называется возникновение оптической активности в веществе под действием продольного магнитного поля. (7. 9) V – постоянная Верде, зависит от рода вещества, его состояния и длины волны и составляет величину порядка 10 -2 угл. мин. /А. Многократное прохождение света через среду, помещенную в магнитное поле, приводит к возрастанию угла поворота плоскости поляризации в соотв. число раз. Применяется при конструировании т. н. невзаимных оптических и микроволновых устройств, циркуляторов, гираторов, фазовращателей, СВЧ и т. д.