Теоретическое введение. Цель работы: 1. Получение поляризованного света при прохождении естественного света через поляроид и при отражении от диэлектрика

Лабораторная работа № 42

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ МАЛЮСА И БРЮСТЕРА

Цель работы: 1. Получение поляризованного света при прохождении естественного света через поляроид и при отражении от диэлектрика.

2. Исследование зависимости интенсивности поляризованного света, прошедшего через анализатор, от угла между главными сечениями анализатора и поляризатора.

3. Определение абсолютного показателя преломления диэлектрика при отражении от его поверхности плоскополяризованного света, падающего под углом Брюстера.

Теоретическое введение

Свет, излучаемый отдельным атомом, представляет собой электромагнитную волну, то есть совокупность двух поперечных взаимно перпендикулярных волн – электрической (образованной колебаниями напряженности электрического поля) и магнитной (образованной колебаниями напряженности магнитного поля), идущих вдоль общей прямой , называемой световым лучом (рисунок 1). Луч (свет) у которого колебания вектора совершаются в одной и только в одной плоскости, называется плоскополяризованным или линейно поляризованным лучом (светом). На рисунке 1 показан линейно поляризованный луч монохроматического света. Плоскость, в которой колеблется вектор напряженности электрического поля, называется плоскостью поляризации (или плоскостью световых колебаний) линейно поляризованной волны.

Рисунок 1 - Линейно поляризованная электромагнитная (световая) волна.

Так как химическое, биологическое, физическое и другие виды воздействия света на вещество обусловлены главным образом электрическими колебаниями, а также для упрощения рисунков, световую волну или луч изображают только электрическими колебаниями, но помнят о том, что в перпендикулярной плоскости совершаются и магнитные колебания.

Реальный источник света состоит из множества атомов. Волны, излучаемые атомами, накладываются друг на друга, и поэтому световому лучу соответствует множество плоскостей колебаний электрического вектора . Такой луч (свет) называется естественным. На рисунке 2 схематически изображены естественный свет (а), частично поляризованный (б), линейно поляризованный (в). При этом луч перпендикулярен плоскости рисунка, а длина векторов пропорциональна амплитудам колебания напряженности электрического поля.

Рисунок 2 - Колебания напряженности электрического поля: а) естественный свет; б) частично поляризованный свет; в) линейно поляризованный свет.

Естественный свет можно поляризовать. Выделение линейно поляризованного света из естественного или частично поляризованного называется поляризацией света. Поляризация происходит при прохождении света сквозь анизотропные кристаллы и при отражении и преломлении света на границе изотропных диэлектрических сред.

1. Поляризация света при прохождении через анизотропные кристаллы

В этом случае для получения поляризованного света применяют специальные устройства, называемые поляризаторами. Их действие основано на явлениях двойного лучепреломления и дихроизма. Эти же устройства используют и в качестве анализаторов для определения характера и степени поляризации света.

Анизотропной называется среда, у которой физические свойства (механические, тепловые, электрические, магнитные) зависят от направления. Двойное лучепреломление наблюдается в оптически анизотропных средах, то есть средах анизотропных в отношении направления колебаний напряженности электрического поля световой волны. К ним относятся естественные кристаллы (исландский шпат, кварц, турмалин, топаз, апатит и др.), а также искусственные, например, герапатин (сернокислый иод-хинин).

Явление двойного лучепреломления состоит в том, что луч естественного света, падающий на кристалл, раздваивается в нем на два луча, один из которых подчиняется закону преломления (закону Снеллиуса) – обыкновенный луч, а другой не подчиняется ему – необыкновенный луч. При этом оба этих луча линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях: у одного плоскость поляризации совпадает с плоскостью падения, у второго – плоскость поляризации перпендикулярна плоскости падения луча. Падающий луч при преломлении раздваивается, так как показатель преломления таких кристаллов зависит от направления колебаний вектора напряженности электрического поля и, следовательно, он различен для обыкновенного и необыкновенного лучей. Различие показателя преломления приводит к различию углов преломления этих двух лучей, то есть к раздвоению падающего луча при преломлении.

В некоторых поляризаторах (например, поляризационных призмах) обыкновенный и необыкновенный лучи разводят по разным направлениям так, чтобы из поляризатора выходил только линейно поляризованный необыкновенный луч, а обыкновенный поглощался зачерненным участком поверхности кристалла.

В других поляризаторах применяют двулучепреломляющие кристаллы, обладающие свойством дихроизма, то есть различного поглощения света в зависимости от ориентации электрического вектора световой волны. Примером сильно дихроичного кристалла является турмалин, который при толщине пластинки 1 мм полностью поглощает обыкновенный луч, но пропускает линейно поляризованный необыкновенный.

Поляроид на основе дихроичных кристаллов представляет собой прозрачную полимерную пленку толщиной около 0,1 мм, содержащую множество искусственных кристалликов, например, герапатита, оптические оси которых ориентируются в одном направлении в процессе изготовления поляроида. Преимущество герапатита при изготовлении поляроидов состоит в том, что у него поглощение одинаково и незначительно для всех длин волн видимого света, в то время как турмалин пропускает преимущественно зеленый свет, поглощая свет иного цвета.

Поляроид, примененный в качестве поляризатора, пропускает линейно поляризованный свет, интенсивность которого составляет половину интенсивности падающего на него естественного света: .

Поляроид, примененный в качестве анализатора для исследования прошедшего через первый поляроид света, пропускает световые колебания, амплитуда которых отличается от амплитуды падающего поляризованного света, в зависимости от значения угла между оптической осью поляризатора и оптической осью анализатора (рисунок 3):

.

Рисунок 3 - Напряженность электрического поля, прошедшего сквозь поляризатор (оптическая ось ), и напряженность электрического поля, прошедшего сквозь анализатор (оптическая ось ). Световой луч распространяется перпендикулярно рисунку «на нас», проходит вначале поляризатор П, затем анализатор А.

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды электрической волны, то интенсивность света, прошедшего через анализатор, зависит от интенсивности света, прошедшего через поляризатор, и угла между оптическими осями по закону Малюса:

. (1)

При 0 (поляроиды параллельны) свет, прошедший через поляризатор, полностью проходит и через анализатор: . При (поляроиды скрещены) анализатор свет не пропускает: 0.

2. Получение поляризованного света при отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектрических изотропных сред

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то он частично отражается, частично преломляется, распространяясь во второй среде (рисунок 4).

При произвольных углах падения света отраженный и преломленный лучи частично поляризованы. В отраженном свете преобладают колебания вектора , перпендикулярные плоскости падения (на рисунке 4 изображены жирными точками), в преломленном – колебания, параллельные плоскости падения (на рисунке 4 изображены стрелками).

Рисунок 4 - Поляризация света на границе раздела двух диэлектриков. - угол Брюстера; и - абсолютные показатели преломления первой и второй среды; 1 - падающий естественный луч; 2 - линейно поляризованный отраженный луч; 3 - преломленный частично поляризованный луч.

Степень поляризации зависит от угла падения. При некотором определенном угле падения, называемом углом Брюстера , отраженный свет является полностью линейно поляризованным (рисунок 4). Преломленный луч при этом остается частично поляризованным. Величина такого угла падения определяется законом Брюстера: отраженный луч полностью линейно поляризован, если тангенс угла падения света на границу раздела двух диэлектриков равен относительному показателю преломления второй среды к первой:

. (2)

При этом отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны.