Поляризация света. Виды поляризации. Закон Малюса. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Двойное лучепреломление

Вид материала

Закон

Содержание В – постоянная Керра; λ С – постоянная Коттона-Мутона; λ

Подобный материал:

• Лекция №… Поляризация света, 149.95kb.
• 3. Поляризация света, 14.86kb.
• Работа №4 определение угла полной поляризации и проверка закона малюса, 117.27kb.
• «Поляризация света», 79.64kb.
• С. И. Вавилов о принципах спектрального преобразования света, 95.74kb.
• Урок: Свет. Источники света. Распространение света. 8 класс, 41.82kb.
• Программа Государственного экзамена по подготовке магистра по направлению «Физика оптических, 35.11kb.
• Био жан Батист (1774-1862), французский физик, иностранный почетный член Петербургской, 2.78kb.
• Лабораторная работа №3·09а получение и исследование света с различными состояниями, 128.34kb.
• Правила отбора при поглощении циркулярно-поляризованного света. Степень поляризации, 38.88kb.

Лекция 6.


Поляризация света. Виды поляризации. Закон Малюса. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Двойное лучепреломление. Искусственная оптическая анизотропия. Вращение плоскости поляризации.

1. Свет, испускаемый обычными источниками излучения, представляет собой множество квантов, каждом из которых электрический вектор направлен в произвольном направлении, перпендикулярном направлению распространения луча. Такой свет называется естественным или неполяризованным.
   
   1. Если в пучке света имеется преимущественное направление колебаний электрического вектора, такой свет называется частично поляризованным.
      
   2. Поляризацией называется выделение линейно поляризованного света из естественного или частично поляризованного света.
      
   3. Устройства, позволяющие выделять линейно поляризованный свет из естественного или частично поляризованного света, называются поляризаторами. Их действие основано на поляризации света при его отражении или преломлении на границе раздела двух сред.
      
   4. Эти же устройства можно использовать в качестве анализаторов – устройств, позволяющих определить характер и степень поляризации.
      
   5. Степенью поляризации называется величина
      

где I_max и I_min – соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором.

2. 
   
   Если на поляризатор перпендикулярно его плоскости падает линейно поляризованный свет, электрический вектор которого направлен вдоль линии р-р, то падающий свет можно представить в виде двух волн, линейно поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Поляризатор пропускает свет, электрический вектор которого направлен вдоль линии а-а, и не пропускает свет, электрический вектор которого направлен в перпендикулярном направлении.
   
   1. Амплитуда света, выходящего из поляризатора, равна
      

Соответственно интенсивности линейно поляризованного света I_a и падающего на поляризатор света I_p связаны между собой уравнением

(закон Малюса)

1. Плоскость поляризации света (плоскость колебаний электрического вектора), пропускаемого поляризатором, называется главной плоскостью поляризации.
   
1. При изучении закономерностей поляризации естественного света при отражении и преломлении от поверхности раздела двух сред этот свет удобно рассматривать как совокупность двух линейно поляризованных волн – s- и р-типа.
   
   1. В волне р-типа вектор Е_р лежит в плоскости падения, а в волне s-типа вектор Е_s лежит перпендикулярно плоскости падения.
      
   2. Коэффициент отражения волн s-типа всегда больше коэффициента отражения волн р-типа, а потому отраженный и преломленный лучи частично поляризованы – в отраженном луче преобладают волна s-типа, а в преломленном луче - р-типа.
      
   3. Отраженный свет полностью линейно поляризован при угле падения i_Бр (угол Брюстера), удовлетворяющем условию
      

tg i_Бр = n₁₂ (закон Брюстера)

где n₁₂ – относительный показатель преломления среды, отражающей свет.

4. 
   
   Если i = i_Бр, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны и коэффициент отражения волны р-типа равен нулю, а отражается только волна s-типа. Однако, коэффициент отражения волны s-типа много меньше 1 (~ 0,15), а потому проходящий свет поляризован лишь частично.
   
5. Степень поляризации проходящего луча можно увеличить, пропуская луч через стопку параллельных прозрачных пластин, установленных под углом Брюстера к падающему лучу. Если в стопке пластин поглощения не происходит, то интенсивности лучей отраженного I_s и проходящего I_p линейно поляризованного света равны половине интенсивности падающего естественного света
   

1. Согласно представлениям классической электронной теории образование отраженной волны обусловлено вторичными волнами, которые излучают молекулы осцилляторы среды, отражающей свет.
   
   1. Волне s-типа соответствуют осцилляторы, оси которых перпендикулярны плоскости падения.
      
   2. Волне р-типа соответствуют осцилляторы, оси которых лежат в плоскости падения и перпендикулярны направлению преломленного луча.
      
   3. Так как осцилляторы не могут излучать в направлении оси диполя, то при угле i = i_Бр отраженный луч перпендикулярен преломленному лучу и, следовательно, оси диполя осцилляторов, генерирующих волны р-типа, будут параллельны отраженному лучу. По этой причине в отраженном луче при i = i_Бр нет волн р-типа (полностью поляризованный луч).
      
1. Большинство кристаллов оптически анизотропно – их относительная диэлектрическая проницаемость и показатель преломления зависят от направления электрического вектора Е световой волны. Это приводит к возникновению явления, называемого двойным лучепреломлением.
   
   
   
   
   
   1. При двойном лучепреломлении луч, падающий на поверхность кристалла, раздваивается в нем на два преломленных луча.
      
      1. Направление в оптически анизотропном кристалле, вдоль которого свет распространяется, не испытывая двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла.
         
      2. Оптически анизотропные кристаллы в зависимости от симметрии бывают одноосными или двуосными.
         
         
         
         
      3. Плоскость, содержащая оптическую ось и пересекающий ее луч, называется главной плоскостью или главным сечение одноосного кристалла.
         
      4. В одноосном кристалле один из лучей о (обыкновенный луч) подчиняется обычным законам преломления.
         
      5. Второй луч е не лежит в плоскости падения и не подчиняется закону Снеллиуса (необыкновенный луч)
         

• при нормальном падении луча на поверхность пластинки угол преломления r_e зависит от ориентации оптической оси по отношению к поверхности пластинки;
  
• r_e равен нулю только, если ось перпендикулярна поверхности пластинки, либо параллельна поверхности.
  

1. В двуосном кристалле оба луча ведут себя как необыкновенные.
   
1. Падающая на оптически анизотропный кристалл волна возбуждает две вторичные волны, которые распространяются в в кристалле по различным направлениям, - обыкновенная и необыкновенная.
   
   1. В обыкновенной волне электрический вектор Е направлен перпендикулярно к главной плоскости кристалла.
      
   2. Электрический вектор Е необыкновенной волны лежит в главной плоскости кристалла.
      
   3. Обыкновенный и необыкновенный лучи показывают направления векторов Умова-Пойнтинга соответствующих волн в кристалле, то есть направления переноса энергии этими волнами.
      
2. Сколость переноса энергии волной в оптически анизотропном кристалле называется лучевой скоростью волны.
   
   1. В одноосном кристалле скорость обыкновенного луча v_о численно одинакова по всем направлениям
      

где n_o – показатель преломления для обыкновенного луча.

2. Скорость необыкновенного луча численно равна
   

где n_е – показатель преломления для необыкновенного луча.

1. Значение n_е зависит от направления необыкновенного луча по отношению к оптической оси кристалла.
   



1. Лучевой поверхностью волны в кристалле называется геометрическое место концов вукторов лучевой скорости волны, проведенной из некоторой точки О кристалла во всевозможных направлениях.
   
   1. Лучевая поверхность обыкновенной волны представляет собой сферу, так как скорость распространения обычной волны в кристалле одинакова по всем направлениям.
      
   2. Лучевая поверхность необыкновенной волны представляет собой эллипсоид вращения вокруг оптической оси. Эллипсоид и сфера касаются друг друга в точках пересечения с оптической осью.
      
   3. Если n_е ≥ n_o, то эллипсоид вписан в сферу, а кристалл называется оптически положительным.
      
   4. Если n_е ≤ n_o, то эллипсоид описан вокруг сферы, а кристалл называется оптически отрицательным.
      
   
   
   
2. Пример расчета направлений обыкновенного и необыкновенного лучей в оптически отрицательном кристалле.
   
1. Поляризационные призмы и поляроиды (дом. задание)
   
2. В оптически изотропных кристаллах может возникать анизотропия под действием внешних факторов (искуственная оптическая анизотропия):
   
   1. При возникновении оптической анизотропии под действием внешнего давления – растяжения или сжатия – (фотоупругость) разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, при падении света перпендикулярно оси приложения деформации, пропорциональна нормальному давлению σ
      

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества.

2. При воздействии внешнего электрического поля (эффект Керра) разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, при падении света перпендикулярно направлению вектора Е напряженности внешнего электрического поля, удовлетворяет закону Керра
   

где ^ В – постоянная Керра; λ₀ – длина волны света в вакууме.

3. При воздействии внешнего магнитного поля (эффект Коттона-Мутона) разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, при падении света перпендикулярно направлению вектора Н напряженности внешнего магнитного поля, равна
   

где ^ С – постоянная Коттона-Мутона; λ₀ – длина волны света в вакууме.

7. При прохождении линейно поляризованного света через некоторые вещества, называемые оптически активными, плоскость поляризации света поворачивается вокруг направления луча.
   
   1. К оптически активным веществам относятся некоторые кристаллы (кварц, киноварь и др.) и жидкости (скипидар, раствор сахара в воде и др.).
      
   2. Все вещества, активные в жидком состоянии, активны и в кристаллическом состоянии. Некоторые вещества активные в кристаллическом состоянии не активны в жидком состоянии.
      
   3. Угол поворота φ плоскости поляризации пропорционален толщине l слоя вещества
      

где α – коэффициент пропорциональности, называемый удельным вращением или постоянной вращения.

4. Удельное вращение зависит от природы вещества, температуры и длины волны.
   
5. Зависимость α от длины волны называется вращательной дисперсией, которая вдали от полос поглощения подчиняется закону Био
   

6. Если смотреть навстречу лучу, то вращение плоскости пляризации может происходить как по часовой стрелке (правое или положительное вращение), так и против часовой стрелки (левое или отрицательное вращение).
   
7. Угол поворота плоскости поляризации на пути l в оптически активном растворе равен
   

где D – плотность раствора; К – массовая доля оптически активного вещества в растворе; [α] – удельное вращение раствора.

8. Оптически неактивная среда под действием внешнего магнитного поля приобретает способность вращать плоскость поляризации света, распространяющегося вдоль направления поля (эффект Фарадея). Угол поворота пропорционален длине пути и напряженности магнитного поля Н
   

где V – постоянная Верде.