Тема 5. Поляризация света. Взаимодействие света с

Тема 5. Поляризация света. Взаимодействие света с веществом. Поляризация света • Естественный и поляризованный свет. Поляризаторы. Степень поляризации. Закон Малюса. • Поляризация при отражении и преломлении Закон Брюстера • Поляризация при двойном лучепреломлении Дисперсия света Поглощение и рассеяние света

Естественный и поляризованный свет Естественный свет

Поляризованный свет Линейно- (плоско-) поляризованный свет Эллиптически- поляризованный свет

Линейно- и эллиптически- поляризованный свет

Естественный свет можно представить как две некогерентные электромагнитные волны, поляризованные во взаимно перпендикулярных направлениях Частично-поляризованный свет можно представить как сумму (наложение) естественного и плоско-поляризованного света

Прохождение естественного света через поляризаторам Устройства, позволяющие получать линейно поляризованный свет из естественного, называют линейными поляризаторами. Поляризаторы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости пропускания поляризатора и полностью или частично задерживают колебания перпендикулярные к этой плоскости.

Прохождение света через поляризатор и анализатор А‖ А┴ А 0 А 2 А 1 Амплитуда света, прошедшего А‖ А 0 через анализатор φ А┴=0 А‖ =А 1 cosφ А┴ А 2=А 1 cosφ

Закон Малюса Интенсивность света, прошедшего через поляризатор: I=I 0 cos 2φ I 0 - интенсивность света, падающего на поляризатор I - интенсивность света, I 0 I прошедшего через поляризатор φ1 Для естественного света:

А 0 А 1 А 2 А 3 ест. I 0 I 1 I 2 I 3 φ1 φ2 I 3=I 2 cos 2φ2 A 3=A 2 cosφ2

Прохождение через поляризатор частично-поляризованного света Максимальное пропускание Imax+Imin=I 0 Imax-Imin=Iпол I 0=Iест+Iпол Минимальное Степень поляризации пропускание I 0=Iест+Iпол

Изменение интенсивности поляризованного света, прошедшего через поляризатор в зависимости от угла между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризатора

Поляризация при отражении и преломлении На границу раздела двух прозрачных диэлектриков с показателями преломления n 1 и n 2 падает естественный свет. Разложим световые векторы на две составляющие: одну перпендикулярную плоскости падения (S-компонента), другую – в плоскости падения (P-компонента). - S-компонента - P-компонента в отраженном луче преобладает S-компонента в преломленном луче преобладает P-компонента

Формулы Френеля Is , Ip – интенсивности S- и P- компонент падающего луча Iʹs , Iʹp – интенсивности S- и P- компонент отраженного луча α когда Iʹp=0 отраженный луч поляризован в плоскости, перпендикулярной β плоскости падения

Закон Брюстера Когда α (угол между преломленным и отраженным лучами – прямой) β=90 о-α sinβ=sin(90 о-α)=cosα β n 1 sinα=n 2 sinβ=n 2 cosα Угол Брюстера - угол падения, при котором отраженный луч полностью поляризован

Поляризация при двойном лучепреломлении Двойное лучепреломление возникает вследствие оптической анизотропии кристаллических диэлектриков (анизотропии диэлектрической проницаемости ε) Для оптических диэлектриков: Таким образом в кристаллических диэлектриках (кроме кубических) показатель преломления анизотропен (зависит от направления)

Обыкновенный и необыкновенный луч е - необыкновенный луч о -обыкновенный луч кристалл no ne | no- ne| исландский шпат 1, 66 1, 49 0, 17 кварц 1, 545 1, 554 0, 009

Существует ось, вдоль которой обыкновенный и необыкновенный луч распространяются не разделяясь и с одной скоростью. Такая ось называется оптической осью кристалла, а такие кристаллы называются одноосными (существуют и двуосные кристаллы, у которых таких осей две). Любую плоскость, проходящую через оптическую ось называют главным сечением или главной плоскостью кристалла. О О-Оʹ - оптическая ось е Обыкновенный и необыкновенный лучи поляризованы: о е – в главном сечении о – в плоскости, перпендикулярной главному сечению Оʹ

Зависимость скоростей обыкновенного и необыкновенного лучей от направления в кристалле положительный кристалл отрицательный кристалл Показателем преломления необыкновенного луча называют показатель преломления необыкновенного луча перпендикулярного оптической оси. Показатель преломления обыкновенного луча не зависит от направления.

В направлении, перпендикулярном главной оптической оси, обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются не разделяясь пространственно, но с разными скоростями. О Из пластинки выходят две взаимно ортогональные плоско -поляризованные волны. Оптическая разность хода: е о ( h - толщина пластинки) Разность фаз: Оʹ ( λ – длина волны в вакууме)

Существуют кристаллы, в которых один из лучей (о или е) поглощается сильнее другого. Это явление называется дихроизмом. Например, сульфат йодистого хинина (герапатит) полностью поглощает один из лучей на пути 0, 1 мм. Явление дихроизма используют при изготовлении поляризаторов в виде светофильтров, называемых поляроидами.

Дисперсия света Дисперсией света называется зависимость показателя преломления n вещества от частоты ν (длины волн λ) света или Стекло Кварц Длина волны, нм Легкий Тяжелый Обыкновенный Необыкновенный Вода при 20°C крон луч 6 71 1, 5140 1, 6431 1, 5415 1, 5505 1, 3308 4 05 1, 5318 1, 6852 1, 5572 1, 5667 1, 342

Нормальная и аномальная дисперсии нормальная дисперсия аномальная дисперсия

Классическая теория дисперсии При прохождении через вещество электромагнитной волны электроны атомов оказываются под воздействием переменного электрического поля волны. Диэлектрическая проницаемость при этом будет зависеть от частоты волны: ω0 - собственная частота колебания электрона

Призма. - «угол отклонения» - угол между направлением падающего луча и вышедшего - «преломляющий угол» – угол между преломляющими гранями призмы п – показатель преломления призмы - формула тонкой призмы ( мал) Лучи разных длин волн после прохождения призмы отклоняются на разные углы. Пучок белого света за призмой разлагается в спектр, который называется дисперсионным или призматическим

Составные цвета в дифракционном и призматическом спектрах располагаются различно: в дифракционной решетке сильнее всего отклоняются красные лучи, в призме - фиолетовые

Поглощение (абсорбция) света dx I I 0 I 0 -d. I x dx Закон Бугера I=I 0 e-κx κ – показатель поглощения κ зависит от длины волны. κλ - величина обратная расстоянию, на котором пучок монохроматического света ослабляется в результате поглощения в е (натуральный κλ) или 10 (десятичный κλ) раз

У веществ, атомы (молекулы) которых слабо взаимодействуют друг с другом (газы, пары металлов) κ ≠ 0 в узком интервале длин волн (шириной ~10 -2 Å) – резкие максимумы, соответствующие резонансным частотам колебаний электронов внутри атомов. У твердых и жидких веществ спектры поглощения сплошные. κ κ

Рассеяние света происходит в оптически неоднородных средах, которые называются мутными средами (дымы, туманы, эмульсии, суспензии, некоторые твердые тела). Световые волны, дифрагируя на неоднородностях среды, дают дифракционную картину, с достаточно равномерным распределением интенсивности по всем направлениям. Если неоднородности малы по сравнению с длиной волны света (<0, 1 λ), интенсивность рассеянного света определяется законом Рэлея: (чем меньше длина волны света, тем сильнее он рассеивается)

Прохождение света через мутный раствор естественный красноватый синеватый Рассеянный свет ( ): λкрасн. ~1, 5∙λголубой Iголубой ~ 5∙Iкрасн.

Молекулярное рассеяние В жидкостях и газах возможны флуктуации плотности, обусловленные хаотичным тепловым движением молекул. Рассеяние света, обусловленное флуктуациями света называется молекулярным рассеиванием.

Поляризация рассеянного света падающий свет прошедший свет частично-поляризованный полностью свет поляризованный свет