Поляризация света

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА С ПОМОЩЬЮ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ПРИБОРОВ

Цель работы: Изучить явление поляризации света и его применение в поляризационных приборах. Научиться пользоваться поляриметром (сахариметром) при определении концентрации оптически активных веществ (сахара) и поляризационным микроскопом при наблюдении кристаллов.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Поляризация света

В явлениях интерференции и дифракции проявляются волновые свойства вещества. Но изучение этих явлений не дает ответа на вопрос: являются ли световые волны поперечными или продольными. На этот вопрос однозначно можно ответить, если пронаблюдать наличие или отсутствие явления поляризации световой волны.

Графически электромагнитную волну изображают правовинтовой тройкой векторов , и (рис. 1).

Рис. 1. Электромагнитная волна

Плоскость, в которой колеблется вектор , называют плоскостью колебания, а плоскость, в которой колеблется вектор , - плоскостью поляризации.

При взаимодействии света с веществом переменное электрическое поле воздействует на отрицательно заряженные частицы (электроны) атомов и молекул этого вещества, в то время как действие магнитного поля на заряженные частицы незначительно. Поэтому в процессах распространения света главную роль играет вектор электрической напряженности , который называют световым вектором.

Поляризация — для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля или напряженности магнитного поля . Когерентное электромагнитное излучение может иметь:

· Линейную поляризацию — световой вектор колеблется в плоскости, проходящей через луч в направлении, перпендикулярном к лучу (рис. 2а);

· Круговую поляризацию — конец светового вектора описывает винтовую круговую правую либо левую линию, в зависимости от направления вращения вектора индукции (рис. 2б);

· Эллиптическую поляризацию — случай, промежуточный между круговой и линейными поляризациями (рис. 2в).

Рис. 2. Поляризация электромагнитной волны:

а – линейная, б – круговая, в - эллиптическая.

Линейно поляризованной свет принято называть плоско-поляризованным. Примером такого света может служить излучение атома в . Плоско-поляризованный свет дают современные квантовые генераторы света – лазеры. Солнце, лампы накаливания и другие тепловые источники излучают естественный свет, поскольку состоит из большого количества атомов, излучающих не согласованно, поэтому плоскость колебания вектора непрерывно меняется.

Совокупность световых колебаний, в которых интенсивность одного из колебаний преобладает, называется частично-поляризованным светом.

Свет, поляризованный по эллипсу или по кругу, получается, например, при отражении плоско-поляризованного света от металлов, при излучении в сильных магнитных полях, а также при сложении двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаний одинаковой частоты и постоянным сдвигом фаз.

Поляризацию света можно осуществить различными способами, а именно, пропустить через кристаллы некоторых веществ (турмалин, исландский шпат), поляризационные призмы и поляроиды; поляризация света происходит также при отражении, преломлении, рассеянии и двойном лучепреломлении.

Плоско-поляризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами П. Эти же приборы могут быть использованы и для анализа света. В этом случае они называются анализаторами А. П и А отличаются не по существу, а по назначению и могут быть взаимно заменены. Глаз человека, в отличие, например, от плел, весьма чувствительный к окраске (т.е. к длине волны), не способен определить поляризацию света.

Закон Брюстера (1815)

Свет, отраженный от границы двух изотропных диэлектриков, будет плоско-поляризованным (частичная поляризация). Доля поляризованного света при отражении зависит от угла падения и при (угол Брюстера) отраженный луч будет полностью поляризован (содержит только колебания, перпендикулярные к плоскости падения). Степень поляризации преломленного луча в этом случае достигает максимального значения, однако поляризация остается частичной, т.к. преобладают колебания, параллельные плоскости падения (рис. 3). При этом луч преломленный и отраженный создают прямой угол. Имеет место закон Брюстера:

,

где – относительный показатель преломления диэлектрика. Этот закон указывает путь получения плоско-поляризованного света и дает возможность определять показатели преломления различных веществ.

В отличие от изотропных диэлектриков кристаллы анизотропны, т.е. их свойства зависят от направления луча внутри кристалла.

При прохождении света через некоторые кристаллы естественный луч разделяется на два поляризованных в двух взаимно перпендикулярных направлениях (явление двойного лучепреломления). Наиболее резко это явление выражено для исландского шпата (рис.4).

Если падающий луч перпендикулярен к поверхности кристалла, то тогда один из раздвоенных лучей проходит через кристалл в том же направлении (обыкновенный луч ), а другой, преломившись дважды на передней и задней грани кристалла, выйдет из него смещенным относительно первого луча (необыкновенный луч ).

Рис. 4. Двойное лучепреломление в кристалле

У так называемых одноосных кристаллов (исландский шпат, турмалин, кварц) имеется одно направление, в котором явление двойного лучепреломления не наблюдается. Это направление называется оптической осью кристалла.

Закон Малюса (1810)

Рис. 5. Понижение интенсивности световой волны при прохождении через поляризатор и анализатор

Большое значение для расчета интенсивность света, прошедшего через П и А во всевозможных поляризационных приборах, имеет закон Малюса, справедливость которого была подтверждена тщательными фотометрическими исследованиями Араго. Согласно этому закону (без учета потерь на обычное поглощение и отражение световой энергии обеими пластинами) интенсивность света, прошедшего через анализатор , равна интенсивности света, прошедшего через поляризатор , умноженной на квадрат косинуса угла между оптическими осями обеих пластин (рис. 5), т.е.

.