Поляризованный свет

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждения образования  «МГУ имени А.А. Кулешова»

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

 

«Поляризованный свет»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Работу выполнила:

студентка 4 «АБ» группы

                                                                                 физико-математического

                              факультета

                                                                                 Хальцова А. М.        

Проверил: ст. преп.

Ивашкевич И.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Могилев 2014

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................3

1. Поляризованный свет ………………………………………………………..5

1.1. Способы  поляризации света…………………………………………

1.2. Практическое  использование………………………………………...

1.3. Закон Малюса………………………………………………………….

1.4. Закон Брюстера……………………………………………………….

1.5. Призма Николя…………………………………………………………

2. Двойное  лучепреломление

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………….……………….….18

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………….…………………….19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Свет является электромагнитной волной, т.е. волной, в которой происходят колебания векторов  и  ( – вектор напряженности электрического поля,  – вектор напряженности магнитного поля). Электромагнитная волна поперечна, так как колебания векторов  и  перпендикулярны направлению ее распространения. Таким образом, три вектора: , ,  и скорость распространения волнового фронта взаимно перпендикулярны и образуют правую тройку векторов. Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора. Поэтому его принято называть световым вектором.

 В дальнейшем  мы будем говорить только о  векторе  (направление вектора  всегда можно определить, зная направление). Естественный свет (т.е. свет, испускаемый обычными световыми источниками) есть совокупность световых волн со всевозможными направлениями колебания вектора, перпендикулярными к лучу света, быстро и беспорядочно сменяющими друг друга. Такой характер колебаний обусловлен спецификой излучения света. Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых его атомами. Процесс излучения отдельного атома длится около 10-8 с. За это время испускается цуг волн протяженностью примерно 3 м. Через некоторое время после излучения атом возбуждается и снова начинает излучать. Одновременно испускают энергию множество атомов. Цуги волн, излучаемые ими, накладываются друг на друга, образуя световую волну. Нам одновременно приходится наблюдать излучение огромного числа атомов, посылающих свет с различным направлением колебаний векторов   и . Кроме того, в естественном свете наблюдается быстрая смена этих ориентацией. Свет, направление колебаний в котором упорядоченным каким-либо образом, называют поляризованным. Свет, в котором имеется единственное направление колебаний вектора  (а, следовательно, и ), называют плоско-поляризованным. Если конец вектора  описывает эллипс – эллиптически-поляризованным. В случае, если конец вектора  описывает окружность, свет называется поляризованным по кругу. Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора, но при этом имеются и другие направления колебаний, называют частично поляризованным.

 

 

 

Поляризованный свет

 

Следствием теории Максвелла является поперечность световых волн: векторы напряженностей электрического и магнитного Н полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны (перпендикулярно лучу). Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора - вектора напряженности электрического поля. Это название обусловлено тем, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества. Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов.

Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора (рис. 1, а; луч перпендикулярен плоскости рисунка).

 

Рис. 1

В данном случае равномерное распределение векторов объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов - одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (следовательно, Н) называется естественным. Неполяризованный (естественный) свет испускают большинство типовых источников, например лампы накаливания.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное) направление колебаний вектора (рис. 1, б), то мы имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 1,в), называется плоско-поляризованным (линейно поляризованным).

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоско поляризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации. Плоско-поляризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света-света, для которого вектор изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпендикулярной лучу (рис. 2,а).

 

Рис. 2

 

Если эллипс поляризации вырождается в прямую (при разности фаз , равной нулю или ), то имеем дело с рассмотренным выше плоско поляризованным светом, если в окружность (при и равенстве амплитуд складываемых волн), то имеем дело с циркулярно поляризованным светом (рис. 2,б и рис.2,в соответственно).

 

Способы поляризации света

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

Линейную поляризацию - в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны;

Круговую поляризацию - правую либо левую, в зависимости от направления вращения вектора индукции;

Эллиптическую поляризацию - случай, промежуточный между круговой и линейной поляризациями.

Некогерентное излучение может не быть поляризованным, либо быть полностью или частично поляризованным любым из указанных способов. В этом случае понятие поляризации понимается статистически.

Электромагнитная волна может быть разложена (как теоретически, так и практически) на две поляризованные составляющие, например поляризованные вертикально и горизонтально. Возможны другие разложения, например, по иной паре взаимно перпендикулярных направлений, или же на две составляющие, имеющие левую и правую круговую поляризацию. При попытке разложить линейно поляризованную волну по круговым поляризациям (или наоборот) возникнут две составляющие половинной интенсивности. Как с квантовой, так и с классической точки зрения, поляризация может быть описана двумерным комплексным вектором (вектором Джонса). Поляризация фотона является одной из реализаций q-бита[1].

 

Практическое использование

Свет солнца, являющийся тепловым излучением, не имеет поляризации, однако рассеянный свет неба приобретает частичную линейную поляризацию. Поляризация света меняется также при отражении. На этих фактах основаны применения поляризующих фильтров в фотографии и т. д. Линейную поляризацию имеет обычно излучение антенн.

По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптически постоянных, толщине образца.

Если рассеянный свет поляризовать, то, используя поляризационный фильтр с иной поляризацией, можно ограничивать прохождение света. Интенсивность света прошедшего через поляризаторы подчиняется закону Малюса (о нём мы будем говорить далее). На этом принципе работают жидкокристаллические экраны. Некоторые живые существа, например пчёлы, способны различать линейную поляризацию света, что даёт им дополнительные возможности для ориентации в пространстве. Обнаружено, что некоторые животные, например креветка-богомол павлиновая, способны различать циркулярно-поляризованный свет, то есть свет с круговой поляризацией

Поляриметр - прибор, предназначенный для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными и однородными растворами и жидкостями. Применяется в лабораториях пищевой, химической промышленности и других отраслях науки и производства для определения концентрации растворов оптически активных веществ, таких как сахар, глюкоза, белок, по углу вращения плоскости поляризации.

Поляриметр круговой СМ-3 предназначен для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными и однородными растворами и жидкостями с целью определения их концентрации. Поляриметр визуального типа удобен в эксплуатации, обладает высокой надежностью и точностью измерений, соответствует современным эстетическим и эргономическим требованиям. Поляриметр СМ-3 применяется в различных отраслях промышленности: пищевой, химической, полиграфической.

Поляриметр П161-М портативный предназначен для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными и однородными растворами и жидкостями. Он применяется в лабораториях пищевой, химической промышленности и других отраслях науки и производства для определения концентрации растворов оптически активных веществ, таких как сахар, глюкоза, белок по углу вращения плоскости поляризации.

Полярископ ПКС-250 М предназначен для определения двойного лучепреломления в плоских заготовках и изделиях из прозрачных и слабоокрашенных материалов.

Полярископ ПКС-250 М используется:

• для количественной оценки величины двойного лучепреломления методом Сенармона с погрешностью не более 10 нм,
• для оценки распределения двойного лучепреломления в объекте по интерференционной окраске,
• для исследований распределения двойного лучепреломления в объекте в свете, поляризованном по кругу.

Достоинства полярископа: большое просматриваемое поле позволяет контролировать крупногабаритные заготовки и детали, а также производить одновременный контроль нескольких образцов.

 

 

Закон Малюса

Закон Малюса - зависимость интенсивности линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор от угла между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора.

 

где -интенсивность падающего на поляризатор света, а - интенсивность света выходящего из поляризатора.

Установлен Э.Л. Малюсом в 1810 году.

 

 

Опыт Малюса

Естественный свет может стать плоско-поляризованным в результате отражения от не посеребренной поверхности прозрачного вещества, например, стекла. Это явление было открыто Малюсом, который заставлял свет последовательно отражаться от двух стеклянных пластин. Если поверхности пластин G1 и G2 расположены, как показано на рис. 12.1, то происходит сильное отражение света от обеих поверхностей. Если же вторую пластину G2 повернуть таким образом, чтобы отраженный луч выходил из плоскости чертежа, то количество отраженного от нее света сильно уменьшится. Следовательно, первое отражение сопровождается таким изменением состояния колебаний световой волны, что она может хорошо

отражаться в плоскости чертежа, но лишь очень слабо отражается в перпендикулярной к нему плоскости. Эти результаты можно объяснить, полагая, что первое зеркало поляризует свет, а второе обнаруживает эту поляризацию.

Устройство, создающее плоско-поляризованный пучок из не поляризованного, называется поляризатором. Устройство, обнаруживающее наличие плоской поляризации света, называется анализатором. Любая часть аппаратуры, способная служить поляризатором, может работать также как анализатор и наоборот. В опытах Малюса первое, не посеребренное зеркало, рассматривается как поляризатор, а второе — как анализатор, однако этот опыт можно с равным успехом повторить, обратив направление распространения светового луча. Если поляризатор и анализатор ориентированы так, что при совместном их действии они пропускают максимальное количество света, то говорят, что они параллельны. Если же их относительная ориентация такова, что система пропускает минимальное количество света, то говорят, что они скрещены. Два не посеребренных зеркала параллельны (в указанном смысле), если оба отражения от них происходят в одной плоскости, и скрещены, если отражения от них происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Свет с иной (нелинейной) поляризацией может быть представлен в виде суммы двух линейно-поляризованных составляющих, к каждой из которых применим закон Малюса. По закону Малюса рассчитываются интенсивности проходящего света во всех поляризационных приборах, например в поляризационных фотометрах и спектрофотометрах. Потери на отражение, зависящие от и не учитываемые законом Малюса, определяются дополнительно.

 

Закон Брюстера

Закон Брюстера - закон оптики, выражающий связь показателя преломления с таким углом, при котором свет, отражённый от границы раздела, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, а преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, причем поляризация преломленного луча достигает наибольшего значения. Легко установить, что в этом случае отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Соответствующий угол называется углом Брюстера.

При угле падения, равном углу Брюстера :

1. Отраженный от границы раздела двух диэлектриков луч будет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения;

2. Степень поляризации преломленного луча достигает максимального значения меньшего единицы;

3. Преломленный луч будет поляризован частично в плоскости падения;

4. Угол между отраженным и преломленным лучами будет равен 90°;

5. Тангенс угла Брюстера равен относительному показателю преломления.

 

где -показатель преломления второй среды относительно первой,