Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Теоретические сведения. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениеСтр 1 из 3Следующая ⇒ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Кафедра общей и технической физики
Общая физика ВОЛНОВАЯ ОПТИКА
Поляризация четвертьволновыми пластинами Лабораторная работа № 6
Методические указания к лабораторной работе
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ УДК 535.41/42 + 535.5 (075.80)
Физика. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫМИ ПЛАСТИНАМИ: Методические указания к лабораторной работе / Сост.: А.С. Мустафаев, А.Ю. Грабовский. Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». СПб, 2016. 12 с.
В методических указаниях к лабораторной работе «ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫМИ ПЛАСТИНАМИ» сформулированы: теория, методические указания и алгоритм выполнения работы. Лабораторная работа дает возможность студентам исследовать различные виды поляризованного света, определить степень поляризации лазерного излучения и провести экспериментальную проверку закона Малюса. Основная задача - овладеть техникой и методикой проведения эксперимента, а также приемами обработки его результатов и оформления заключительного отчета. В зачетной работе практикума студент должен продемонстрировать умение в устной и письменной форме, логически верно и аргументировано защищать результаты своих исследований. Методические указания к лабораторной работе предназначены для студентов всех специальностей и направлений подготовки бакалавриата и магистратуры Национального минерально-сырьевого университета «Горный».
Научный редактор проф. А.С. Мустафаев
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫМИ ПЛАСТИНАМИ
Теоретические сведения
Видимый свет, как известно, представляет собой электромагнитные волны с длинами волн от 4×10–7 м (фиолетовый) до 7×10–7 м (красный). В электромагнитной волне векторы напряженности электрического поля и магнитного поля взаимно перпендикулярны и одновременно перпендикулярны направлению распространения волны (рис. 1). Плоскость, проведенную через направления и , называют плоскостью колебаний электрического вектора. Для полной характеристики волны задают ее длину l, модули векторов и и ориентацию в пространстве плоскости колебаний электрического вектора. Если для некоторого пучка света плоскость колебаний электрического вектора не изменяет положение в пространстве, то такой свет называют линейно-поляризованным. Естественный или неполяризованный свет можно рассматривать как наложение многих электромагнитных волн, распространяющихся в одном и том же направлении, но со всевозможными ориентациями плоскостей колебаний. Таким образом, для неполяризованного света нельзя указать даже плоскость преимущественного расположения вектора напряженности электрического поля . Все ориентации этого вектора равновероятны. Если же имеется какое-либо преимущественное направление ориентации вектора , то световой пучок называют частично-поляризованным. Если в световом пучке вектор имеет составляющие как по оси х, так и по оси у, причем и , где w – частота световой волны, то в каждый момент времени t эти составляющие складываются. Результирующий вектор, оставаясь постоянным по величине, вращается с частотой w, а его конец описывает окружность. В этом случае говорят, что свет имеет круговую поляризацию. Если составляющие вектора по осям х и у колеблются с одинаковыми частотами, но имеют либо разные амплитуды, либо разность фаз колебаний отличается от и т.д., то конец электрического вектора будет описывать эллипс и в этом случае говорят об эллиптической поляризации светового пучка. Таким образом, имеется пять типов поляризованного света: · естественный или неполяризованный свет; · частично поляризованный свет; · линейно или плоско поляризованный свет; · свет, поляризованный по кругу; · эллиптически поляризованный свет. Пусть на поляризатор падает линейно-поляризованное излучение интенсивностью I 0 (рис. 2). Разложим вектор на две составляющие, лежащие в главной плоскости поляризатора: Е || = Е 0cosj, и перпендикулярную составляющую E ^ = E 0sinj, где j – угол между плоскостью колебаний электрического вектора, падающего на поляризатор излучения, и главной плоскостью поляризатора. Поскольку поляризатор пропускает излучение только с составляющей вектора лежащей в главной плоскости, то выходящее излучение имеет интенсивность I ~ < E ||2 > = < E 02 cos2j >, здесь угловые скобки обозначают, усреднение по времени. Учитывая, что интенсивность падающего излучения I 0~ < E 02>, получим I = I 0cos2j. (1) Последнее соотношение называют законом Малюса. Если направить на поляризатор естественное (неполяризованное) излучение, в котором все ориентации вектора напряженности равновероятны (т.е. возможны любые значения j), то проводя усреднение по углу j в соотношении (1) получим I = 0,5 I ест. Таким образом, при прохождении через поляризатор естественное излучение становится линейно-поляризованным, но убывает по интенсивности вдвое. Для количественной оценки степени поляризацииизлучения применяется соотношение . (2) Частично поляризованное излучение понимается как смесь линейно-поляризованного и неполяризованного излучений. Тогда I – полная интенсивность, I п – интенсивность линейно-поляризованного компонента. Очевидно, , где I н – интенсивность неполяризованного компонента. Поскольку 0 < I н< I, то степень поляризации может меняться в пределах 0 < Р < 1. Если направить частично-поляризованное излучение на поляризатор и вращать устройство, меняя угол между главной плоскостью поляризатора и преимущественным направлением вектора то интенсивность прошедшего излучения будет меняться от максимального значения I max до минимального I min. В первом положении поляризованный компонент проходит полностью, а неполяризованный уменьшается по интенсивности вдвое: I max = I п + I н / 2. (3) Во втором положении, которое отличается по углу от первого на 90°, поляризованный компонент, согласно закону Малюса, полностью задерживается, а неполяризованный по-прежнему уменьшается вдвое: I min = I н/ 2. (4) Складывая и вычитая уравнения (3) и (4), имеем . Подставляя последние соотношения в (2) получим формулу для расчета степени поляризации при обработке экспериментальных данных: Р = (I max – I min) / (I max + I min). (5) Способ получения эллиптически поляризованного излучения. Допустим, что из двоякопреломляющего кристалла вырезана пластинка таким образом, что оптическая ось лежит в плоскости среза. Допустим далее, что излучение падает на пластинку перпендикулярно плоскости среза. В этом случае колебания электрического вектора, как в обыкновенной волне (), так и в необыкновенной () совершаются согласованно (когерентно). И в дальнейшем будем индексом о - обозначать обыкновенную волну; индексом е – необыкновенную. Направления электрических векторов обыкновенного и необыкновенного лучей взаимноперпендикулярны. И эти лучи распространяются в одном направлении, но с разными скоростями. В связи с этим, при прохождении через пластинку между ними возникает разность хода: D L = (n o – n e) d, (6) где d – толщина кристаллической пластинки; n o и n e показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Как уже отмечалось, при наличии разности хода волны могут интерферировать только в том случае, если они когерентны. Если падающее на кристалл излучение не поляризовано, о - и е -волны испускаются разными группами атомов (не согласованно), поэтому волны не когерентны. Если же на кристалл падает линейно-поляризованный свет, то волна разделяется между о- и е -волнами в пропорции, которая зависит от ориентации плоскости колебаний. Поэтому возникающие о - и е -компоненты когерентны и способны интерферировать. Из теории сложения колебаний известно, что при сложении взаимно перпендикулярных колебаний одинаковой частоты конец результирующего вектора движется по эллипсу (рис. 3): x 2/ E о2 – (2 xy / E о E е) cos (dj) + y 2/ E е2 = sin2(dj), где dj – сдвиг фаз колебаний на выходе из пластинки кристалла; x и y – координаты конца результирующего вектора x º Ex, y º Ey. Нас интересует случай, когда эллипс ориентирован своими полуосями по осям Оx и Оy (Оу лежит в главной плоскости кристалла), при этом E oи E eявляются полуосями эллипса. Это наблюдается, если выполнено условие для разности фаз: , k = 0, 1, 2, … Уравнение эллипса преобразуется при этом к виду Ex 2/ E о2 + Ey 2/ E e2 = 1. Разность фаз колебаний связана с разностью хода лучей: dj = . Используя (6), получим d (n o – n e) = ±(λ0/4 + k λ). (7) Здесь знак плюс соответствует отрицательным кристаллам (n o> n e), знак минус – положительным кристаллам (n o < n e). Таким образом, если толщина пластины, вырезанной вдоль оптической оси, удовлетворяет условию (7), результатом будет эллиптическая поляризация выходящего излучения. Такая пластина носит название четвертьволновой или пластины λ /4. Способ полученияциркулярной (круговой) поляризации излучения. Эллипс превращается в окружность при равенстве полуосей эллипса, т.е. E o = Ee º E. Этого достигают, ориентируя четвертьволновую пластину оптической осью под углом a = 45° к плоскости колебаний падающего излучения. При этом компоненты результирующего вектора удовлетворяют уравнению окружности: Ex 2 + Ey 2 = E 2. Заметим, что при a = 0° и a = 90° из четвертьволновой пластины выходит плоскополяризованное излучение (электрический вектор в первом случаеи во втором).
|