Исследование поляризации лазерного излучения

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет  информационных технологий, механики и оптики

 

 

 

 

 

ФИЗИКА

Лабораторная работа №16а

 

«ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

 

 

 

Выполнила: Безымянных Ольга

Группа: 2362

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012 г.

 

Цель  работы

 Исследование  характера поляризации лазерного  излучения и экспериментальная  проверка закона Малюса.

 

Общие положения

Поперечные  волны обладают особым, присущим только им, свойством, известным под названием  поляризация. Под этим понимается пространственное соотношение между направлением распространения светового луча и направлением колебания вектора  напряженности электрического (или магнитного ) поля. Теория Максвелла для электромагнитной волны утверждает только, что векторы напряженности электрического и магнитного полей лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, но не накладывает никаких ограничений на их поведение в этой плоскости. Друг относительно друга вектора и ориентированы взаимно перпендикулярно. Поэтому для описания колебаний в световой волне достаточно указывать один из них. Исторически таким вектором выбран вектор напряженности электрического поля , который также называют световым.

Если при  распространении световой волны  направление колебаний электрического вектора  бессистемно, хаотически изменяется с равной амплитудой и, следовательно, любое его направление в плоскости, перпендикулярной распространению волны, равновероятно, то такой свет называют неполяризованным, или естественным. Если колебания электрического вектора фиксированы строго в одном направлении, свет называется линейно- или плоскополяризованным.

Плоскость, образованная направлением распространения электромагнитной волны и направлением колебаний  вектора напряженности электрического поля, называется плоскостью поляризации  электромагнитной волны.

Поляризация света наблюдается при отражении  и преломлении света на границе  прозрачных изотропных диэлектриков. Если угол падения естественного  света на границу раздела двух прозрачных диэлектриков отличен от нуля, то отраженный и преломленный пучки оказываются частично-поляризованными (рис.1). В отраженном свете преобладают  колебания вектора  , перпендикулярные к плоскости падения, а в преломленном свете – параллельные плоскости падения. Степень поляризации обеих волн (отраженной и преломленной) зависит от угла падения. Соответствующую зависимость в 1815 г. установил шотландец Дэвид Брюстер. Как показали опыты, при некотором значении угла падения светового луча на границу раздела двух сред с показателями преломления n₁ и n₂ соответственно, угол между отраженным и преломленным лучом становится равен 90°. При таком условии отраженный луч оказывается полностью поляризован (колебания вектора в нем перпендикулярны плоскости падения). Прошедший луч поляризован частично и содержит преимущественно параллельную составляющую вектора . Тогда значение угла, соответствующего полной поляризации отраженного луча, определяется из закона преломления:

, т.е. :

 (1)

 Соответствующий угол падения  называют углом Брюстера.

Степень поляризации  преломленной волны при угле падения, равном углу Брюстера, достигает максимального значения, однако эта волна остается лишь частично поляризованной. Так как коэффициент отражения света в данном случае значительно меньше единицы (около 0,15 для границы раздела воздух-стекло), можно использовать преломленный свет, повышая его степень поляризации путем ряда последовательных отражений и преломлений. Это осуществляют с помощью, так называемой стопы, состоящей из нескольких одинаковых и параллельных друг другу пластинок, установленных под углом Брюстера к падающему свету. При достаточно большом числе пластинок проходящий через эту систему свет будет практически полностью линейно-поляризованным. И интенсивность прошедшего через такую стопу света (в отсутствие поглощения) будет равна половине падающего на стопу естественного света.

Эта идея нашла высокоэффективное использование  в лазерах, где торцы разрядной  трубки представляют собой плоскопараллельные стеклянные пластинки, расположенные  под углом Брюстера к оси трубки (рис. 2). Поэтому излучение, распространяющееся вдоль оси трубки между зеркалами и поляризованное в плоскости падения на пластинки, многократно проходит сквозь них практически беспрепятственно, не испытывая отражения. В результате из лазера выходит луч, поляризованный в этой плоскости, что и показано на рисунке. Другая составляющая излучения, плоскость поляризации которой перпендикулярна плоскости падения, почти полностью удаляется из пучка благодаря отражениям.

Для получения, обнаружения и анализа плоскополяризованного света используют приспособления, называемые поляризаторами. Поляризаторы могут быть сконструированы на основе рассмотренного отражения и преломления света на границе раздела двух сред, также на основе двойного лучепреломления (призмы Николя), на основе явления дихроизма. Поляризаторы свободно пропускают колебания вектора , параллельные плоскости, которую называют плоскостью пропускания поляризатора. Колебания же, перпендикулярные к этой плоскости, задерживаются полностью или частично. Широкое распространение для получения плоскополяризованного света имеют поляризаторы, действие которых основано на явлении дихроизма – селективного поглощения света в зависимости от направления колебаний электрического вектора световой волны. Сильным дихроизмом обладают кристаллы турмалина.

Для получения плоско-поляризованного  света применяются также поляроиды  – пленки на которые, как правило, наносятся кристаллики герапатита – двоякопреломляющего вещества с сильно выраженным дихроизмом в видимой области. Так, при толщине »0,1 мм такая пленка полностью поглощает лучи с перпендикулярными к плоскости падения колебаниями в видимой области спектра, являясь в таком тонком слое хорошим поляризатором. Недостаток поляроидов по сравнению с поляризационными призмами – их недостаточная прозрачность, селективность поглощения при разных длинах волн и небольшая термостойкость.

Поляризаторы  можно  использовать и в качестве анализаторов – для определения  характера и степени поляризации  интересующего нас света. Пусть  на анализатор падает линейно-поляризованный свет, вектор которого составляет угол с плоскостью пропускания P (рис. 3, где направление светового пучка перпендикулярно к плоскости рисунка). Анализатор пропускает только ту составляющую вектора , которая параллельна его плоскости пропускания P, т.е. . Интенсивность пропорциональна квадрату модуля светового вектора , поэтому интенсивность прошедшего света:                                                                                                                              (2)

где - интенсивность падающего плоскополяризованного света. Это соотношение было установлено в 1810 г. французским физиком Этьеном Луи Малюсом и носит название закона Малюса.

Описание лабораторной установки

Источником  света служит полупроводниковый  лазер. На пути светового луча лазера закреплен поляроид с нанесенной на торец его оправы круговой шкалой и фоточувствительный приемник, подключенный к вольтметру. Фотоприемник позволяет  оценить интенсивность попадающего  в него светового пучка. Соединенный  с фотоприемником универсальный  вольтметр используется в режиме измерения постоянного тока в мА.

 

 

Ход работы

1. Включим источник (лазер) и  вольтметр. Проверим, что на вольтметре  выбран режим измерений «постоянный  ток», а предел измерений –  до 0,2 мА.

2. Аккуратно уберем поляроид  из хода луча лазера. Убедимся, что световой луч попадает  в отверстие фотоприемника. Запишем  показание вольтметра (соответствует  интенсивности  , не ослабленной поляроидом).

3. Вставим поляроид в ход луча, зафиксировав его между направляющими  стержнями. Вращая поляроид, следим  за изменениями показаний вольтметра. Найдем таким образом положение максимума пропускания и, начиная с него проведем измерения интенсивности прошедшего через поляроид излучения в зависимости от угла поворота поляроида: запишем показание вольтметра, затем повернем поляроид на 10°, подождем несколько секунд, чтобы фотоэлемент отреагировал на это изменение интенсивности света и запишем следующее показание вольтметра. Таким образом, с шагом в 10°, запишем показания вольтметра, пока не будет сделан целый оборот поляроида вокруг светового пучка. Данные измерений оформим в виде таблицы.

4. Проанализировав записанные показания  вольтметра (можно считать их  значениями интенсивности  прошедшего света), найдем максимальное , соответствующее углу , и разделим каждое из экспериментальных значений на . Результаты занесем в таблицу. Таким образом, нормированное значение интенсивности будет лежать в пределах от 0 до единицы. Построим график зависимости нормированной интенсивности от угла поворота поляроида в полярных координатах: из начала координат проведем с помощью транспортира вспомогательные линии (оси) с шагом в 10°. Выберем масштабную единицу (прочертим единичную окружность). Затем на каждой оси отметим точкой соответствующее значение нормированной интенсивности. Соединим полученные экспериментальные точки аппроксимирующей кривой.

5. На той же координатной плоскости  построим график зависимости  от угла поворота поляроида .

6. Проанализируем полученные кривые.

7. Найдем коэффициенты пропускания  использованного поляроида для  параллельной и перпендикулярной  ориентации его плоскости пропускания  по отношению направлению колебаний  вектора  в излучении лазера.

Обработка результатов  измерений

1) По показанию вольтметра запишем значение интенсивности , не ослабленной поляроидом: 0,0025 мА

2) Найдем положение максимума  пропускания и соответствующий ему угол:

= 0,007 мА, _m = 80⁰

3) Начиная с положения максимума  пропускания с шагом в 10°, запишем показания вольтметра, пока не будет сделан целый оборот поляроида вокруг светового пучка. Данные измерений оформим в виде таблицы. (Таблица 1)

4) Разделим каждое из экспериментальных  значений  на . Результаты занесем в таблицу.

Таблица 1. Показания вольтметра. Нормированное значение интенсивности.

№	, мА	, 0	, мА	, мА
1	0,0065	90	0,007	0,93
2	0,0055	100	0,007	0,79
3	0,0043	110	0,007	0,61
4	0,0025	120	0,007	0,36
5	0,0013	130	0,007	0,19
6	0,0004	140	0,007	0,06
7	0,0002	150	0,007	0,03
8	0,0002	160	0,007	0,03
9	0,0003	170	0,007	0,04
10	0,0009	180	0,007	0,13
11	0,0016	190	0,007	0,23
12	0,0023	200	0,007	0,33
13	0,0031	210	0,007	0,44
14	0,0043	220	0,007	0,61
15	0,0048	230	0,007	0,69
16	0,006	240	0,007	0,86
17	0,0065	250	0,007	0,93
18	0,0067	260	0,007	0,96
19	0,0061	270	0,007	0,87
20	0,0055	280	0,007	0,79
21	0,0037	290	0,007	0,53
22	0,0022	300	0,007	0,31
23	0,0011	310	0,007	0,16
24	0,0003	320	0,007	0,04
25	0,0002	330	0,007	0,03
26	0,0001	340	0,007	0,01
27	0,0004	350	0,007	0,06
28	0,0011	0	0,007	0,16
29	0,0018	10	0,007	0,26
30	0,0025	20	0,007	0,36
31	0,0036	30	0,007	0,51
32	0,0046	40	0,007	0,66
33	0,0053	50	0,007	0,76
34	0,0062	60	0,007	0,89
35	0,0067	70	0,007	0,96
36	0,0068	80	0,007	0,97

5) Построим график зависимости нормированной интенсивности от угла поворота поляроида в полярных координатах: из начала координат проведем с помощью транспортира вспомогательные линии (оси) с шагом в 10°. Выберем масштабную единицу (прочертим единичную окружность). Затем на каждой оси отметим точкой соответствующее значение нормированной интенсивности. Соединим полученные экспериментальные точки аппроксимирующей кривой.

6) На той же координатной плоскости построим график зависимости от угла поворота поляроида .

Таблица 2. Зависимость  от угла поворота поляроида .

№		,0
1	cos2(10)=0,9698	90
2	cos2(20)=0,8830	100
3	cos2(30)=0,7499	110
4	cos2(40)=0,5867	120
5	cos2(50)=0,4132	130
6	cos2(60)=0,25	140
7	cos2(70)=0,1169	150
8	cos2(80)=0,0301	160
9	cos2(90)=0	170
10	cos2(100)=0,0301	180
11	cos2(110)= 0,1169	190
12	cos2(120)= 0,25	200
13	cos2(130)= 0,4132	210
14	cos2(140)= 0,5867	220
15	cos2(150)= 0,7499	230
16	cos2(160)= 0,8830	240
17	cos2(170)= 0,9698	250
18	cos2(180)=1	260
19	cos2(190)= 0,9698	270
20	cos2(200)= 0,8830	280
21	cos2(210)= 0,7499	290
22	cos2(220)= 0,5867	300
23	cos2(230)= 0,4132	310
24	cos2(240)= 0,25	320
25	cos2(250)= 0,1169	330
26	cos2(260)= 0,0301	340
27	cos2(270)=0	350
28	cos2(-80)= 0,0301	0
29	cos2(-70)= 0,1169	10
30	cos2(-60)= 0,25	20
31	cos2(-50)= 0,4132	30
32	cos2(-40)= 0,5867	40
33	cos2(-30)= 0,7499	50
34	cos2(-20)= 0,8830	60
35	cos2(-10)= 0,9698	70
36	cos2(0)=1	80