Поляризация

Лабораторная  работа 4

1. Цель  работы:

Изучение  явления поляризации света.

2. Задачи работы:

• Изучение процесса получения плокополяризованного света;
• Изучение процесса нахождения плоскости поляризации света при помощи анализатора;
• Экспериментально получить закон Малюса;

3. Краткая теория

       Свет  представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями вектора напряженности электрического поля Е и вектора напряженности магнитного поля Н. Равномерное распределение векторов Е объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов Е - одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов.

Определение 1 Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (и, следовательно, Н) называется естественным.

        Воздействие световой волны на фотоприемник (глаз человека, фотоэлемент) обусловлено главным образом, электрическим вектором . В связи с этим электрический вектор называют световым вектором. 

Определение2 Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным.

       Поляризации могут быть:

• частично поляризованным светом , т.е. если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное!) направление колебаний вектора Е (рис. 1, б),
• плоскополяризованным (линейно поляризованным), т.е. свет, в котором вектор Е (и, следовательно, Н) колеблется только в одном направлении, (рис. 1, в).
• эллиптически поляризованный свет - свет, для которого вектор Е (вектор Н) изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпендикулярной лучу.

Определение 3.  Плоскость, проходящая через направление колебаний вектора Е плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации.  

Определение 4.  Степенью поляризации называется величина 

  где Imax и Imin, - соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором.

       Для естественного света Imax = Imin и Р = 0, для плоскополяризованного Imin = 0 и Р = 1.

       Естественный  свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя так называемые поляризаторы.

Определение 5. Поляризатором называется оптическое устройство, пропускающие колебания только определенного направления (например, пропускающие колебания, параллельные главной плоскости поляризатора, и полностью задерживающие колебания, перпендикулярные этой плоскости).

       В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в  отношении колебаний вектора Е, например кристаллы. Из природных кристаллов, давно используемых в качестве поляризатора, следует от метить турмалин.

Определение 6. Направление в оптически анизотропном кристалле, по которому луч света распространяется, не испытывая двойного луче преломления, называется оптической осью кристалла.

       Речь идет именно о направлении, а не о прямой линии, проходящей через какую-то точку кристалла. Любая прямая, проходящая параллельно данному направлению, является оптической осью кристалла. Кристаллы в зависимости от типа их симметрии бывают одноосные и двуосные, т. е. имеют одну или две оптические оси (к первым и относится исландский шпат).

     Исследования  показывают, что вышедшие из кристалла  лучи плоскополяризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Определение 7. Плоскость, проходящая через направление луча света и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью (или главным сечением кристалла).  

       

                                      Рис. 1

       Направим  естественный свет перпендикулярно  пластинке турмалина Р, вырезанной параллельно оптической оси ОО'. Вращая кристалл Р вокруг направления луча, никаких изменении интенсивности прошедшего через турмалин света не наблюдаем.

       Если  на пути луча поставить вторую пластинку  турмалина А и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла а между оптическими осями кристаллов по закону Малюса:

                                         (1)

где I₀ и I - соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него. Следовательно, интенсивность прошедшего через пластинки света изменяется от минимума (полное гашение света) при φ = π/2 (оптические оси пластинок перпендикулярны) до максимума при φ = 0 (оптические оси пластинок параллельны).

       Результаты  опытов с кристаллами турмалина  объясняются следующим образом.. Первая пластинка турмалина пропускает колебания только определенного направления (на рис. 1 это направление показано стрелкой AB),

т. е. преобразует  естественный свет в плоскополяризованный.

         Вторая же пластинка турмалина, в зависимости от ее ориентации, из поляризованного света пропускает большую или меньшую его часть, которая соответствует компоненту Е, параллельному оси второго турмалина.

Определение 8. Пластинка Р, преобразующая естественный свет в плоскополяризованный, является поляризатором, а пластинка А, служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором.

Замечание. Обе пластинки совершенно одинаковы (их можно поменять местами).

       Если  пропустить естественный свет через  два поляризатора, главные плоскости  которых образуют угол α, то из первого выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого I₀ = 1/2I_ест. . Из второго, согласно (1), выйдет свет интенсивностью I = I₀ cos² φ. Следовательно, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора,

I=1/2 I_ест. cos²φ

  откуда Imax = 1/2 Iест (поляризаторы параллельны) и Imin = 0 (поляризаторы скрещены).

                                              

      4. Приборы и принадлежности

      Для выполнения лабораторной работы используется следующее оборудование:

1. Оптическая скамья;
2. Источник света;
3. Поляризатор, закрепленный на вращающемся лимбе;
4. Анализатор, закрепленный на вращающемся лимбе;
5. Объектив;
6. Фотоэкспонометр.

      Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2.

Свет  от осветителя (ОСВ) проходя  поляризатор Р и анализатор А падает на фотоэкспонометр. Анализатор и поляризатор закреплены во вращающихся лимбах, которые имеют шкалу, проградуированную в градусах от 0 до 360⁰. Объектив (Об) служит для получения четкого   изображения         светового пятна на фотоэкспонометре.

      Фотоэкспонометр (ФЭ) является устройством, регистрирующим интенсивность светового излучения.

    Величина  фототока i_{Ф ,}который регистрирует ФЭ пропорциональна интенсивности падающего света (по закону Столетова для фотоэффекта):

    i_ф ~ I

чем больше интенсивность света I, тем больше величина i_Ф. 

    От  интенсивности, в свою очередь, зависит  время экспозиции t:

    t ~ 1/I.

    чем больше интенсивность I падающего света, тем меньше время экспозиции.

      Следовательно,  t ~ 1/ i_Ф.  

Рисунок 2

      Измеряя угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора, можно установить зависимость . Если зависимость cos² φ от будет иметь линейный характер, следовательно закон Малюса справедлив.  

5. Порядок выполнения работы. 

1. Расположите приборы на оптической скамье так, как указано на рис.2. Осветитель (ОСВ) смонтирован на оптической скамье (ОС).
2. Включите осветитель с помощью тумблера на корпусе осветителя. Получите четкое изображение светового пятна с помощью объектива (Об).
3. Снимите со скамьи анализатор А и, вращая поляризатор Р вокруг луча, убедитесь, что освещенность экрана (яркость пятна) не изменяется.
4. Установите анализатор на оптическую скамью. Указатель шкалы анализатора установите против метки  «0» на лимбе. Вращая поляризатор вокруг луча (указатель на лимбе анализатора должен быть против метки «0»), добейтесь максимальной освещенности экрана;
5. В центр этого пятна поместите фотоэлемент ФЭ. Включите фотоэкспонометр в сеть. Нажмите кнопку на корпусе фотоэкспонометра и, вращая ручку «чувствительность», установите стрелку прибора, против метки «0,5» по верхней шкале. Это будет соответствовать минимальному времени экспозиции при максимальной освещенности экрана. Запишите значение t = 0,5 с и φ = 0 в табл. 1.
6. Поворачивая анализатор вокруг луча на одно деление по шкале лимба  (от 0 до 90⁰), записывайте значения t_i по шкале экспонометра для всех углов φ_i в таблицу 1.
7. Верните указатель лимба анализатора к метке «90». Повторите опыт по измерению времени экспозиции при уменьшении угла φ от 90⁰ до 0. Результаты запишите в таблицу 1.
8. Повторите опыты не менее трех раз в прямом и обратном направлении;
9. Найдите среднее значение для каждого угла φ_i
10. Рассчитайте величину, обратную, т.е. Эта величина будет оценивать интенсивность света в условных единицах.
11. Для каждого угла φ_i определите cos φ_i и значение cos²φ_i.
12. По полученным данным постройте график зависимости 1/t с^-1 от cos²φ_i, т.е. 1/t = f(cos²φ_i).

Таблица 1

	a0	0	…………..	90
	№ опыта
t, с (a возр.)	1
	2
	3
, с (a убыв.)	1
	2
	3
	, с
	1/ , с-1
	cos φ
	cos2φ

6. Требования к отчету  по лабораторной  работе.

При составлении  отчета необходимо:

1. Сформулировать цель лабораторной работы;
2. Привести список оборудования;
3. Привести схему экспериментальной установки
4. Записать выражение для закона Малюса.
5. Провести измерения и заполнить таблицы.
6. Провести расчет абсолютной и относительной погрешностей.
7. Сформулировать вывод к лабораторной работе, в котором привести полученные результаты.

7. Контрольные вопросы

1.  Какой  свет называется поляризованным? В чем его отличие естественного света? Как на практике отличить естественный свет от поляризованного?

2. Что  называется световым вектором? Почему? Какая плоскость называется плоскостью поляризации?

3. Какое устройство называется анализатором и поляризатором? Какова их роль?

4. Как меняется интенсивность поляризованного света, прошедшего анализатор, в зависимости от угла j между оптической осью анализатора и направлением поляризации луча. Как записывается закон Малюса для поляризованного света?