Методы экспериментального исследования поляризации света

Нижнетагильская государственная  социально-педагогическая академия

кафедра ФМО

 

Факультет физико-математический   

 

 

 

Выпускная квалификационная работа

 

Студента Дерягина Антона Владиславовича

Тема «Методы экспериментального исследования поляризации света»

 

 

Научный руководитель Рожда А. Ф., канд. физ-мат. наук, профессор

Рецензент Попов С. Е., доктор пед. наук, канд. тех. наук, профессор

Работа допущена к защите_______________

Заведующий кафедрой Попов С. Е., доктор пед. наук, канд. тех. наук, профессор

 

 

 

Дата представления________________

 

 

Нижний Тагил

2011 год

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее время  явление поляризации получило широкое  применение в различных областях. Явление поляризации света лежит в основе ряда методов исследования структуры вещества с помощью многочисленных поляризационных приборов, по изменению степени поляризации (деполяризации) света при рассеянии и люминесценции можно судить о тепловых и структурных флуктуациях в веществе, флуктуациях концентрации растворов, о внутри- и межмолекулярной передаче энергии, структуре и расположении излучающих центров и т.д. Широко применяется поляризационно-оптический метод исследования напряжений в объёмах и на поверхностях твёрдых тел, в котором механические напряжения определяются по изменению поляризации отражённого или прошедшего через тело света. В кристаллооптике поляризационные методы используются для изучения структуры кристаллов, в химической промышленности — как контрольные при производстве оптически-активных веществ (сахариметрия), в минералогии и петрографии — для идентификации минералов, в оптическом приборостроении — для повышения точности отсчётов приборов

Цель работы: изучение экспериментальных методов исследования поляризации света.

Задачи:

• анализ содержания источников по теме «Поляризация света»,
• создание лабораторной установки для экспериментального исследования  явления поляризации при отражении от поверхности диэлектрика,
• проведение экспериментального исследования явления поляризации света при отражении от поверхности диэлектриков.

Объект исследования: явление поляризации света при отражении от поверхности диэлектрика

Предмет  исследования: Экспериментальные методы исследования явления поляризации

В первой части работы  излагаются теоретические основы явления поляризации света.

Во второй главе рассмотрены основные поляризационные приспособления, их устройство и принцип работы. Подробно рассматривается закон Брюстера и явление поляризации при отражении от поверхности диэлектрика.

С целью изучения данного  явления была разработана установка, позволяющая измерять угол Брюстера. С помощью установки были проведены исследования поляризованного света при отражении от различных диэлектриков

Разработанная установка может применяться для выполнения лабораторных работ по курсу общей физики «Оптика».

 

 

ГЛАВА 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

1.Поперечность световых волн

 

Из электромагнитной теории света вытекает непосредственно, что световые волны поперечны. Действительно, вся совокупность законов электромагнетизма  и электромагнитной индукции, краткое математическое выражение которой заключено в уравнениях теории Максвелла, приводит к выводу, что изменение во времени электрической напряженности Е сопровождается появлением переменного магнитного поля Н, направленного перпендикулярно к вектору Е, и обратно. Такое переменное электромагнитное поле не остается неподвижным в пространстве, а распространяется со скоростью света вдоль линии, перпендикулярной к векторам Е и Н, образуя электромагнитные, в частности световые, волны. Таким образом, три вектора: Е, Н и скорость распространения волнового фронта v взаимно перпендикулярны и составляют правовинтовую систему; т.е. электромагнитная волна поперечна

Если заданы направление  распространения и направление  одного из векторов, например Е, то направление другого (Н) определяется однозначно. Однако крест векторов Е и Н может быть произвольно ориентирован относительно направления распространения волнового фронта (или луча).

В каждом отдельном случае имеется та или иная ориентация векторов 
Е и Н по отношению к волновой нормали и она (или луч) не является осью симметрии электромагнитных волн. Такая ассиметрия характерна для поперечных волн, продольные волны всегда симметричны по отношению к направлению распространения. Таким образом, асимметрия относительно луча и является одним из признаков который отличает поперечную волну от продольной. Этот  признак и был использован для экспериментального доказательства поперечности световых волн задолго до того, как была установлена их электромагнитная природа, делающая эту поперечноеть самоочевидной

Орудием опытного исследования асимметрии может, очевидно, служить только система, которая в свою очередь обладает свойством асимметрии. Такой системой, пригодной для исследования свойств  светового луча, может служить кристалл, атомы которого располагаются в виде пространственной решетки так, что свойства кристалла по различным направлениям оказываются различными (анизотропия).

Исследования показали, что при  обычных условиях газообразные, жидкие и твердые аморфные диэлектрики оптически изотропны. В то же время почти все кристаллические диэлектрики оптически анизотропны. Оказалось также, что под влиянием внешних воздействий среда, бывшая оптически изотропной, может стать оптически анизотропной. Это явление называется искусственной оптической анизотропией.

Закономерности распространения света в любой среде (изотропной или анизотропной) в конечном счете определяются интерференцией первичной волны и вторичных волн, излучаемых молекулами, атомами или ионами среды вследствие их электронной поляризации под действием электрического поля Е световой волны. Поэтому оптические свойства среды полностью обусловлены электрическими свойствами этих элементарных излучателей, их взаимным расположением и взаимодействием друг с другом. Молекулы или атомы среды в зависимости от их строения могут быть электрически изотропными или анизотропными. В первом случае их поляризуемость не зависит от направления, во втором — зависит. Однако электрические свойства отдельных атомов или молекул среды еще не определяют полностью оптические свойства этой среды. Причина этого заключается в полной хаотичности ориентации молекул в газах, жидкостях и аморфных телах. Всякое упорядочение ориентации анизотропных молекул в этих средах под влиянием внешних воздействий приводит к возникновению оптической анизотропии.

Если среда находится в кристаллическом  состоянии, то ее частицы (атомы, молекулы или ионы) располагаются в строгом  порядке, образуя кристаллическую  решетку. Каждая частица находится  в сильном взаимодействии с ближайшими соседями в решетке. Поэтому излучение вторичных волн частицами кристаллической среды зависит не только от электрических свойств самих частиц, но и от силового воздействия со стороны других частиц. Из сказанного ясно, что оптическая анизотропия кристалла может быть обусловлена как электрической анизотропией образующих его частиц, так и анизотропией поля сил взаимодействия между частицами. Характер этого поля, т. е. его изотропность или анизотропность, зависит от степени симметрии решетки кристалла. Как показали исследования, только кристаллы кубической системы (например, каменная соль NaCl), обладающие весьма высокой степенью симметрии решетки, являются оптически изотропными. Все остальные кристаллы независимо от электрических свойств образующих их частиц оптически анизотропны.

И действительно, прохождение света  через кристаллы и было первым явлением, послужившим к установлению поперечности световых волн

Еще Гюйгенс (1690 г.), изучая открытое Бартолином (1670 г.) свойство исландского шпата раздваивать проходящие через него световые лучи (двойное лучепреломление), нашел, что каждый из полученных таким образом лучей ведет себя при прохождении через второй кристалл исландского шпата иначе, чем обычные лучи; а именно, в зависимости от ориентации кристаллов друг относительно друга каждый из лучей, раздваиваясь во втором кристалле, дает два луча различной интенсивности, а при некоторых ориентировках — только один луч (интенсивность другого падает до нуля). Гюйгенс не нашел объяснения открытому им явлению. Ньютон (1704 г.), обсуждая открытие Гюйгенса, обратил внимание на то, что здесь проявляются основные свойства света («изначальные», как называет их Ньютон), в силу которых луч имеет как бы четыре стороны, так что направление, соединяющее одну пару сторон, неравноправно с перпендикулярным направлением. В силу этого Ньютон видел в световых корпускулах некоторое внешнее сходство с магнетиками, обладающими полюсами, благодаря чему направление вдоль магнитика неравноправно с перпендикулярным направлением.

Много лет спустя Малюс (1808 г.), открывший  сходные особенности в свете, отраженном от стекла, ввел для обозначения их термин поляризация, по-видимому, под влиянием ньютонова представления.

После установления волновой природы  света явление поляризации света подверглось дальнейшему тщательному изучению. Опыты Френеля и Араго по интерференции поляризованных лучей (1816) побудили Юнга высказать догадку о поперечности световых волн. Френель, независимо от Юнга, также выдвинул концепцию поперечности световых волн, всесторонне обосновал ее многочисленными опытами и положил в основу объяснения явления поляризации света и двойного лучепреломления в кристаллах

Трудности, связанные с этим, состояли в том, что поперечные колебания  и волны не могут иметь места в жидкостях и газах. Упругие же колебания в твердых телах еще не были исследованы к тому  времени. Учение Френеля о поперечных световых волнах дало толчок к исследованию свойств упругих  твердых тел.

2. Распространение света через турмалин

 

Произведем следующий опыт. Вырежем  из кристалла турмалина пластинку Т₁  плоскость которой будет параллельна одному из определенных направлений кристаллической решетки, называемому осью, и направим сквозь пластинку свет перпендикулярно к поверхности пластинки.

 

                            

 

 

Рисунок 1

 

Вращая кристалл вокруг направления светового луча, мы не заметим никаких изменений в интенсивности света, прошедшего через турмалин, хотя последний ослабит исходный световой пупок в два раза. Таким образом, световая волна, падающая на турмалин от обычного источника света (например, от электрической дуги L), не обнаруживает асимметрии по отношению к направлению своего распространения. Однако, если поставить на пути луча еще вторую аналогичную пластинку турмалина Т₂, расположенную параллельно первой (см. рис. 1), то картина осложняется.

В зависимости от того, как ориентированы друг относительно друга обе пластинки, меняется интенсивность проходящего через них света. Интенсивность оказывается наибольшей, если оси обеих пластинок параллельны; она равна нулю (свет полностью задерживается), если оси пластинок перпендикулярны, и имеет промежуточное значение при промежуточных положениях пластинок. Опыт показывает, что интенсивность пропорциональна cos^- а, где а — угол между осями обеих пластинок

Полное объяснение наблюдаемым явлениям можно дать, если сделать следующие гипотезы. Во-первых, предположим, что световые волны поперечны, но в свете, исходящем из источника, нет преимущественного направления колебаний, т.е. все направления перпендикулярные к направлению волны, представлены в падающем свете. Этим объясняется первый опыт, несмотря на допущение  поперечности световых волн. Во-вторых, примем что турмалин пропускает лишь волны, один из поперечных векторов которых, например электрический, имеет слагающую, параллельную оси кристалла Именно поэтому первая пластинка турмалина ослабляет исходный световой пучок в два раза. При прохождении световой волны через такой кристалл будет пропущена только часть световой энергии соответствующая этой слагающей. Когда на кристалл падают  электромагнитные световые волны со всевозможными ориентациями» электрического вектора, то сквозь него пройдет лишь часть света так что за кристаллом окажутся волны, направление электрического вектора которых параллельно оси кристалла. Кристалл, таким образом, выделяет из света со всевозможными ориентациями Е ту часть, которая соответствует одному определенному направлению Е. Мы будем в дальнейшем называть свет со всевозможными ориентациями вектора Е (и, следовательно. Н) естественным светом, а свет, в котором Е (а, следовательно, и Н) имеет одно-единственное направление, — плоско-поляризованным, или линейно-поляризованным. Таким образом, турмалин превращает естественный свет в линейно-поляризованный, задерживая половину его, соответствующую той слагающей электрического вектора, которая перпендикулярна к оси кристалла.

Теперь становятся понятными  второй опыт и роль второго кристалла турмалина. До него доходит уже поляризованный свет. В зависимости от ориентации второго турмалина из этого поляризованного света пропускается большая или меньшая часть, а именно та часть, которая соответствует компоненте электрического вектора, параллельной оси второго кристалла. Так как электрический вектор волны, прошедшей первый турмалин, имеет по предположению направление, параллельное оси первого кристалла, то амплитуда света, пропущенного вторым турмалином, будет пропорциональна cos а (а — угол между осями обеих пластинок), а интенсивность пропорциональна cos² а, что и наблюдается на опыте.

В рамках этих гипотез  естественный свет является или линейно-поляризованным светом, направление колебаний которого быстро и совершенно хаотически меняется с течением времени, или же смесью линейно-поляризованных лучей со всевозможными направлениями колебаний.

Плоскость, в которой  расположен электрический вектор, называют плоскостью колебания поляризованного света, а плоскость, в которой расположен магнитный вектор, иногда называют плоскостью поляризации. Эта двойная терминология — плоскость колебаний и плоскость поляризации — сложилась исторически при развитии упругой теории света и, несмотря на ее неудобство сохранилась во многих книгах.

Прибор, превращающий естественный свет в поляризованный называют поляризатором, а прибор, определяющий степень поляризованности света называют анализатором.

 

3 Поляризация при отражении и преломлении света на границе двух диэлектриков

Явление поляризации  света, т.е. выделение световых волн с определенной ориентацией электрического (и магнитного) вектора, имеет место и при отражении или преломлении света на границе двух изотропных диэлектриков. Этот способ поляризации был открыт Малюсом, который случайно заметил, что при поворачивании кристалла вокруг луча, отраженного от стекла, интенсивность света периодически возрастает и уменьшается, т.е. отражение от стекла действует на свет подобно прохождению через турмалин. Правда, при этом не происходило полного погасания света при некоторых определенных положениях,  а наблюдались лишь его усиление и ослабление.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2

 

Явление поляризации  при отражении и его законы можно изучить следующим образом. Пусть параллельный пучок естественного света (рис.2) падает на стеклянное зеркало S1 S2j укрепленное на оси О при помощи шарнира. Благодаря такому устройству мы можем при любом угле падения направить ось О вдоль отраженного луча и обеспечить таким образом возможность вращения вокруг него зеркала. Отраженный свет исследуется при помощи пластинки турмалина Т₂. поворачиваться вокруг отраженного луча. Глаз наблюдателя при поворачивании Т₂ видит ослабление и усиление света