Сегодня Saturday February 17 2018 Тема Лекция Поляризация

Сегодня: Saturday, February 17, 2018 Тема: Лекция Поляризация света Содержание лекции: 1. Естественный и поляризованный свет 2. 2. Поляризация при отражении и преломлении 3. Двойное преломление света 4. Закон Малюса 5. Интерференция поляризованного света 6. Искусственная анизотропия

§ 1. Естественный и поляризованный свет Основным свойством электромагнитных волн является поперечность колебаний векторов напряжённости электрического и магнитного полей Рис. 1

Естественный свет - неполяризованный (рис. 2 а) а б Свет с преимущест. Рис. 2 венным направлением колебаний вектора называют частично поляризованным светом (рис. 2 б) в Линейная поляризация (рис. 2 в). Электромагнитная волна в этом случае называется полностью поляризованной.

Плоскостью поляризации называется плоскость, в которой колеблется вектор E На рис. обозначается : - естественный свет ; Поляризованный в плоскости: . . V - чертежа - перпендикулярной V чертежу V -частично поляризованный свет.

Рис. 3 Эллиптическая или круговая электромагнитной волны поляризация

В реальных средах возможно превращение неполяризованных волн в полностью поляризованные и наоборот. Например, пропуская световые волны через оптически анизотропные вещества. Оптически анизотропной называют среду, если ее оптические свойства (скорость распространения света или показатель преломления) различны в различных направлениях. Устройства позволяющие получать линейно поляризованный свет, называют поляризаторами. Когда те же самые приборы используют для анализа поляризации света, их называют анализаторами.

Рис. 5 После прохождения поляризатора он будет линейно поляризован в направлении. Интенсивность света, при этом, уменьшится на половину. Если на пути луча поставить второй кристалл – анализатор A, то интенсивность света будет изменяться в зависимости от того, как ориентированны друг относительно друга обе пластины.

Основные выводы: • световые волны поперечны, однако в естественном свете нет преимущественного направления колебаний; • кристалл поляризатора пропускает лишь те которых имеет составляющую волны, вектор параллельную оси кристалла. (именно поэтому поляризатор ослабляет свет в два раза); • для анализа света используется кристалл анализатора, который, пропускает свет, когда его ось параллельна оси поляризатора.

§ 2. Поляризация при отражении и преломлении Свет поляризуется при отражении от границы двух сред и прохождении границы – при преломлении. Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков (например, воздух-стекло) отличен от нуля, то отраженный и преломленный свет оказывается частично поляризованным (При отражении света от проводящей поверхности свет получается эллиптически поляризованным. ). В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, а в преломленном луче – колебания параллельные плоскости падения.

Степень поляризации зависитотуглападения. Если луч падает на границу двух сред а под углом падения α, б удовлетворяющему условию Рис. 6 (1) то отраженный луч оказывается полностью поляризованным. Преломленный луч – поляризован частично. Ур-ие (1) – уравнение Брюстера. Угол α – называется углом Брюстера.

Формула Френеля для расчета степени поляризации: (2) где и – интенсивности света по осям x и y. Таким образом, пластинка прозрачного диэлектрика сортирует лучи естественного света, отражая лучи с одним направлением колебаний и преломляя с другим.

§ 3. Двойное преломление света В 1669 г. датский ученый Эразм Бартолин открыл явление двойного преломления света. В кристалле исландского шпата ( ) луч расщепляется на два луча. Рис. 7

Измерения показывают, что скорость света в кристалле зависит не только от направления распространения луча, но и от ориентации вектора относительно плоскости падения. Однако, в кристалле существует одно или несколько направлений, в которых скорость света не зависит от ориентации вектора. Эти направления называются оптическими осями кристалла.

Следует иметь в виду, что оптическая ось – это не одна какая-то линия в кристалле, наподобие оси симметрии, а определенное направление в кристалле. И все прямые, параллельные этому направлению и взятые в любом месте кристалла, являются оптическими осями. В зависимости от того, сколько таких направлений, кристаллы делятся на одноосные (исландский шпат, турмалин, кварц) и двуосные (гипс , слюда и т. д. ).

Явление двойного лучепреломления заключается в том, что луч внутри кристалла расщепляется на два луча. Один из них подчиняется законам геометрической оптики. Подчиняется луч обыкновенный о. Не подчиняется – необыкновенный луч е. Рис. 8

Явление двойного лучепреломления используется для получения поляризованного света. Дихроизм – один из лучей поглощается сильнее другого В кристалле турмалина, обыкновенный луч практически полностью поглощается на длине 1 мм, а необыкновенный луч выходит из кристалла. В кристалле сульфата йодистого хинина один из лучей поглощается на длине 0, 1 мм. Это явление используется для создания поляроидов. На выходе поляроида получается один поляризованный луч.

В качестве поляроида используется призма Николя. Это призма из исландского шпата, разрезанная по диагонали и склеенная канадским бальзамом. 680 Рис. 9 Показатель преломления канадского бальзама

Двойное лучепреломление объясняется анизотропией кристалла. Диэлектрическая проницаемость ε – зависит от направления. В одноосных кристаллах диэлектрическая проницаемость в направлении оптической оси , и в направлениях перпендикулярных к ней имеет разные значения.

Поскольку , а в диэлектриках μ = 1, то Скорость распространения обыкновенного луча , а необыкновенного Показатель преломления обыкновенного луча и показатель преломления необыкновенного луча

В зависимости от того, какая из скоростей υ0 или υе больше, различают положительные и отрицательные одноосные кристаллы. При условии когда υ0>υе –кристалл положительный nе>n 0, υ0<υе-отрицательный nе<n 0. n 0=1. 658, nе=1. 515, nсмолы=1. 56.

O’ O’ V 0 Ve Ve O O Рис 10.

§ 4. Закон Малюса В 1809 г. французский инженер Э. Малюс Рис. 11

В поперечной волне направление колебаний и перпендикулярное ему направление не равноправны. Рис. 12 Поворот щели S вызовет затухание волны.

С помощью разложения вектора на составляющие по осям можно объяснить закон Малюса. Рис. 13

Световую волну с амплитудой составляющие. разложим на две – пройдет через поляризатор, а Т. к , то Закон Малюса – не пройдет. и В естественном свете все значения φ равновероятны и среднее значение Интенсивность естественного света, уменьшается в два раза.

После первого поляризатора Второй поляризатор пропустит свет при φ = 0. При φ = π/2, , т. е. скрещенные поляризаторы свет не пропускают Таким образом, закон Малюса объясняется на основе разложения вектора Е на составляющие.

§ 5. Интерференция поляризованного света Явления интерференции поляризованных лучей исследовались в классических опытах Френеля и Арго (1816 г. ), доказавших поперечность световых колебаний. Схема получения интерференции поляризованных лучей Рис. 14

Луч о и e, возникающие в двойном лучепреломлении являются некогерентными. Лучи о и е, полученные из одного и того же поляризованного луча когерентны. о е П Двупреломляющий кристалл Е 1 Ее Е 4 Е 3 А о о о Ео экран Плоскость поляризации анализатора. Е 2 Е 0=Е 1+Е 2 Ее=Е 3+Е 4 Через А лучи Е 1 и Е 4 не пройдут.

Анализатор А здесь необходим также, для того чтобы свести колебания двух различно поляризованных лучей в одну плоскость. Разность хода между двумя компонентами поляризации зависит от толщины пластинки, среднего угла преломления и разности показателей no и ne. Разность фаз (1) Интенсивность на выходе поляризаторе и анализаторе. при скрещенных (2)

§ 6. Искусственная анизотропия Двойное лучепреломление можно наблюдать в изотропных средах (аморфных телах), если подвергнуть их механическим нагрузкам. Явление, открытое в 1818 г. Брюстером, получило название фотоупругости или пьезооптического эффекта. напряжение От этого напряжения будет зависеть разность показателей преломления:

Поместим стеклянную пластинку Q между двумя поляризаторами Р и А (рис. 15). Рис. 15 В отсутствие механической деформации свет через них проходить не будет. Если же стекло подвергнуть деформации, то свет может пройти, причем картина на экране получится цветная. По распределению цветных полос можно судить о распределении напряжений в стеклянной пластинке.

Помещая прозрачные фотоупругие модели между поляризатором и анализатором и подвергая их различным нагрузкам, можно изучать распределения возникающих внутренних напряжений.

Явление искусственной анизотропии может возникать в изотропных средах под воздействием электрического поля (эффект Керра). Ячейка Керра. Рис. 16 Свет, прошедший через кювету, поворачивает плоскость поляризации, и система становится прозрачной. Ячейка Керра может служить затвором света, который управляется потенциалом одного из электродов конденсатора, помещенного в ячейку.

На основе ячеек Керра построены практически безинерционные затворы и модуляторы света с временем срабатывания до 10 12 с. Величина двойного лучепреломления прямо пропорциональна квадрату напряжённости (закон Керра). электрического поля: Здесь n показатель преломления вещества в отсутствии поля, , где ne и no показатели преломления для необыкновенной и обыкновенной волн, k постоянная Керра.

§ 7. Вращение плоскости поляризации Группа оптически активных (ОА) веществ : кварц, раствор сахара, камфара, хинин, масла и т. д. (открыта в 1811 г. Зеебеком и Араго). При прохождении через них поляризованного света они поворачивают плоскость поляризации на угол: (1) в растворах, где: λ - удельная постоянная вращения; с – концентрация раствора; l – толщина слоя вещества.

Для твердых веществ: (2) Молекулы оптически активных веществ существуют в виде двух зеркальных пространственных антиподов. Различают левовращательные вещества (если смотреть по лугу, то поворот влево) и правовращательные. Левомецитин – антибиотик (левовращательный), правовращательный не обладают такими же свойствами. Никотин – более ядовит правовращательный.

Френель в 1823 г. качественно объяснил это явление. Эффект Фарадея (1846) – оптически неактивные вещества могут под воздействием магнитного поля получить анизотропию и стать оптически активными.