Готовая лабораторная работа №49 (лаба49)

Посмотреть архив целиком




Лабораторная работа №49




Изучение поляризации света.







Студент: Злодеев М.


Группа: Ф-3-97


Преподаватель: Иванова И.В.











К работе допущен:_______________


Работу выполнил:________________


Работу сдал:_____________________








МЭИ



1. Цель работы

Изучение явления поляризации света; экспериментальная про­верка законов Малюса и Брюстера.


2. Теоретические основы работы

Согласно представлениям классической электромагнитной тео­рии Максвелла источниками электромагнитных волн оптического диапазона являются возбужденные электромагнитные диполи (опти­ческий электрон - положительно заряженный ион). Если электри­ческий момент диполя меняется по гармоническому закону, диполь излучает электромагнитную волну, уравнение которой имеет вид (для электрической составляющей)

E(t,r)=E0cos(t-kr + ).

Здесь Е0 - амплитуда волны, зависящая, вообще говоря, от направления распространения волны относительно оси ди­поля; - круговая частота колебаний вектора E; k - волновой вектор 1k1=2/. Вектор k перпендикулярен векторам E, H (рис. 49.1); r - вектор, характеризующий направление распрост­ранения волны, - начальная фаза.

На рис. 49.1 жирный отрезок обозначает положение оси дипо­ля, штриховыми линиями изображены меридиональная и широтная ли­нии воображаемой сферы. На рис. 49.1 указаны также направления векторов k и r. Заметим, что если свет распространяется в изо­тропной среде, векторы k и r коллинеарны.

На рис. 49.1 видно, что электромагнитная волна, излу­чаемая диполем, - плоскополяризованная волна. Это значит, что для каждого направления распространения волны плоскость колеба­ний вектора E сохраняет неизменное положение в пространстве. Однако время излучения реального элементарного диполя 0 мало ( 0 ~ 10-8 с). Энергия излучаемого кванта мала (для видимого света энергия кванта имеет порядок 10-19 Дж). Регистрирующие излучение приемники (человеческий глаз, фотоэлементы, фотоумно­жители) обладают значительной инерционностью (время измере­ния >> 0) и относительно малой чувствительностью. Оптическая аппаратура регистрирует осредненное за время измерения излучение весьма большого числа элементарных диполей , т.е. осредненную интенсивность света <I> ~02>. Здесь угловые скобки - символ осреднения.

Нелазерные источники света излучают естественный свет - результат излучения весьма большого числа беспорядочно ориенти­рованных элементарных излучателей. Поэтому колебания вектора E в плоскости, перпендикулярной лучу, происходят во всевозможных направлениях. Эти направления меняются во времени случайным об­разом, поэтому в среднем (за время измерения приемником излуче­ния) любое из направлений колебаний имеет одинаковую интенсив­ность. Говорят о так называемой осевой симметрии колебаний век­тора E. В системе координат, выбранной на рис. 49.2, в любой момент времени вектор E можно представить в виде E = ЕX i + ЕY i, причем для так называемого естественного света угол меж­ду вектором E и ортами i и j - случайная функция времени t. По­этому <ЕX > =Y >. Если это равенство нарушено, то говорят о частично поляризованном свете. Тип поляризации определяется от­ношением амплитуд ЕX0Y0 .

Примечание. Если составляющие вектора И изменяются не слу­чайным образом, т.е. существует некоторая постоянная разность фаз между колебаниями в направлениях Оу и Ох, то говорят о кру­говой поляризации, эллиптической поляризации света.

Результирующая интенсивность света может быть представлена в виде:

~X2> +Y2> ~ IX +1Y . (49.1)

Для естественного света 1X и 1Y . Для частично поляризованного света вводится понятие степени поляризации Р. Степень поляри­зации определяется соотношением:

(49.2)

где Imax и Imin - максимальное и минимальное значения интенсивности света. Для естественного света Imax=Imin , степень поляризации Р = 0. Для плоскополяризованного света Imin = 0, сте­пень поляризации Р = 1.

Поляризованный свет из естественного может быть получен следующими способами:

- путем избирательного поглощения. На. этом явлении основа­но действие поляроидных пленок;

- при отражении от границы раздела двух диэлектриков;

- при прохождении света через анизотропные кристаллы (яв­ление двойного лучепреломления).

Оптические приборы, выделяющие из неполяризованного света поляризованный называют поляризаторами. Поляризатор можно использовать также для проверки степени поляризации света. В этом случае прибор называют анализатором.

В настоящей лабораторной работе в качестве источника излу­чения используется гелий-неоновый газоразрядный лазер непрерыв­ного действия. Излучаемый им свет характеризуется строгой на­правленностью, высокой степенью когерентности, а также поляризованностью. Эти свойства связаны с принципом действия лазеров. В рабочем веществе (гелий - неон) производится предварительное возбуждение атомов или молекул, переводящее их на возбужденный уровень энергии. Это так называемый процесс накачки. Он произ­водится за счет внешнего источника энергии. В результате опти­ческой накачки в возбужденном состоянии оказывается больше ато­мов или молекул, чем в основном состоянии. Если на такую су­щественно неравновесную систему воздействовать световыми кван­тами с энергией, равной разности энергий возбужденного и основ­ного уровней, то этот свет вызовет индуцированные переходы с излучением той же частоты. Число излучаемых квантов растет ла­винообразно. Принципиальная схема лазера изображена на рис. 49.3.

На рис. 49.3 изображены: 1 - газоразрядная трубка, на тор­цы которой наклеены плоскопараллельные кварцевые пластины 2, 3, ориентированные под углом Брюстера (см. п. 2.3 настоящего описания) с целью уменьшения потерь при отражении. В результате излучаемый лазером свет оказывается плоскополяризованным. На рис. 49.3 плоскость колебаний вектора E перпендикулярна плос­кости рисунка. На установке активный элемент лазера расположен таким образом, что плоскость колебаний вектора E вертикальна. Лазер работает в непрерывном режиме.


2.1 . Анализ поляризованного света. Закон Малюса

Для определения поляризационных характеристик лазерного излучения используются анализаторы на основе поляроидной пленки. Поляроидная пленка неодинаково поглощает составляющие ЕX и ЕY . Различие в поглощении столь велико, что уже при толщине пленки около 0,1 мм одна из составляющих практически полностью поглощается. Этот эффект достигается ориентацией (обычно путем растяжения) анизотропных молекул полимера. При этом собственные частоты колебаний анизотропных молекул полимера 0X и 0Y оказываются различными. Для поляроидов используют такие полимеры, у которых одна из собственных частот молекул близка к ча­стотам оптического диапазона. Пусть, например, частота падающей монохроматической волны = 0X .Для колебаний с собственной частотой 0X это условие означает условие резонанса. В резуль­тате вся энергия световой волны превращается в тепловую; со­ставляющая электрического вектора ЕX практически полностью по­глощается поляроидной пленкой. Это свойство поляроида характе­ризуют физической величиной, называемой коэффициентом пропус­кания. Коэффициент пропускания - отношение потока излучения, прошедшего через поляроидную пленку, к упавшему на нее потоку. Наибольший коэффициент пропускания реальной поляроидной пленки достигает 0,97, наименьший 0,05. Направление на пленке, соот­ветствующее наибольшему коэффициенту пропускания, называют на­правлением пропускания поляроида. На рис. 49.4 направление пропускания поляроида обозначено линией ПП.

Пусть на идеальный поляроид, максимальный коэффициент про­пускания которого равен единице, а минимальный нулю, падает перпендикулярно пучок плоскополяризованного света, причем плос­кость колебаний вектора E составляет угол с направлением ПП. В этом случае через анализатор пройдет только составляющая век­тора E, коллинеарная направлению пропускания анализатора ПП. Из рис. 49.4 видно, что амплитуда Еан прошедшей через анализатор волны: Eан=E0cos (49.3)

где Е0 - амплитуда напряженности до анализатора. Соответственно для интенсивности Iан прошедшего света получим: Iан=I0cos2 (49.4)

где - угол между направлением пропускания анализатора и плоскостью колебаний вектора E. Соотношение (49.4) называют законом Малюса. В дальнейшем индекс у интенсивности прошедшего света I опускаем.


2.2. Закон Брюстера

Пусть пучок естественного света падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздух - стекло) под некоторым уг­лом (рис. 49.5,а ). При этом и отраженный, и преломленный лу­чи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче пре­обладает составляющая ЕT , перпендикулярная плоскости падения (на рис. 49.5, а она схематически показана точками на линии лу­ча) . В преломленном луче преобладает составляющая ЕII, лежащая в плоскости падения (на рис. 49.5, а она схематически показана стрелками на линии луча). Качественно это проиллюстрировано от­носительным числом точек и стрелок на падающем, отраженном и преломленном лучах.

Степень поляризации Р зависит от угла падения. При паде­нии света под углом Брюстера =0 , удовлетворяющем условию: tg0 =n21, (49.5)

где n21 - относительный коэффициент преломления двух сред, отраженный луч оказывается плоскополяризованным. Плоскость колеба­ний вектора И в отраженном луче перпендикулярна плоскости паде­ния. Преломленный луч при этом - частично поляризованный, сте­пень поляризации его максимальна (рис.49.5,б).

В частности, если свет линейно поляризован и плоскость Колебаний вектора Ё параллельна плоскости падения луча (см. ряс .49.5, б ), отраженный луч будет отсутствовать при паде­нии света на отражающую поверхность под углом Брюстера.


Случайные файлы

Файл
28363-1.rtf
153557.rtf
62184.rtf
117696.rtf
112050.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.