Естественный и поляризованный свет

Введение

Поляризация при отражении и преломлении

Действие поляризаторов основано либо на явлении поляризации света при отражении и преломлении на границе раздела двух изотропных диэлектри ков, либо на явлении оптической анизотропии и связанного с ним двойного лучепреломления.

В оптически изотропной среде, т.е. среде, имеющей одинаковые оптические свойства во всех направлениях, колебания электронов в атомах под действием падающей волны совпадают с направлением колебаний вектора E [1]. Колеблющиеся электроны излучают вторичные волны, интенсивность которых зависит от направления и может быть представлена полярной диаграммой, такой как на рис. 5. Здесь длина радиуса-вектора r характеризует величину интенсивности в различных направлениях. Излучение вдоль линии колебаний электрона (линия AB) отсутствует.

Результатом интерференции вторичных волн, излучаемых электронами, является отраженный луч света в направлении OD₂ (рис. 6) и преломленный луч в направлении OD₃, определяемом законом преломления

sina/ sinb = n₂₁, где n₂₁ – относительный показатель преломления второй среды по отношению к первой. В других направлениях свет не распространяется вследствие взаимного гашения вторичных волн.

Рассмотрим случай, когда на границу раздела падает плоскополяризованная волна так, что вектор E лежит в плоскости падения (рис. 6). Колебания электронов под действием преломленной волны происходят вдоль линии AB, т.е. перпендикулярно OD₃. Если выбрать направление падающего луча так, чтобы преломленный и отраженный лучи составляли угол 90°, то в направлении OD₂ интенсивность отраженного света будет равна нулю, так как оно совпадает с направлением колебания электрона AB.

Обратимся теперь к случаю, когда вдоль D₁O падает естественный свет. Вектор E, как указывалось в разделе 1, можно разложим на две составляющие: одна составляющая - в плоскости падения, другая – в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Колебания, происходящие в плоскости падения в отраженном луче, согласно изложенному выше, будут полностью отсутствовать. Останутся лишь колебания, перпендикулярные плоскости падения. Другими словами, при соблюдении условия

(4)

отраженный свет будет плоско поляризованным. Это явление называют законом Брюстера, а угол падения a, при котором выполняется условие (4), - углом Брюстера (a_Бр). Поскольку sina/sinb = n₂₁, то

. (5)

Если условие (4) не выполняется, то отраженный от диэлектрика свет поляризован только частично. Свет, преломленный в диэлектрике, также частично поляризуется. Преимущественное направление колебаний вектора E в преломленном свете лежит в плоскости преломления луча. Максимальная поляризация преломленного света достигается при падении под углом Брюстера. На практике для увеличения степени поляризации света, выходящего из диэлектрика, используют стопу из нескольких диэлектрических пластинок, расположенных под углом Брюстера к падающему свету.

Порядок выполнения работы

1. Включить гальванометр 8 и блок питания 9 в сеть 220 В.

2. Расположить осветитель 1, поляризаторы 3 и 4 и фотоэлемент 6 так, чтобы их центры находились на одной прямой.

3. Вращением поляризатора 4, закрепленного на гониометрическом столике 5, добиться наибольшего погашения света, проходящего через поляризаторы 3 и 4, что регистрируется с помощью гальванометра 8.

4. Установить нуль по шкале гальванометра и отсчитать показание гониометра a₀, соответствующее минимальной интенсивности проходящего света.

5. Затем, изменяя угол поворота a гониометрического столика в пределах от a₀ до a₀+ 180° с шагом 10 - 15°, определить соответствующие показания гальванометра I. Для угла поворота a₀+ 90° показание гальванометра должно быть наибольшим (I_max).

6. По формуле определить угол между плоскостями поляризаторов. Рассчитать соответствующие им значения cos²j и результаты занести в табл. 1.

Таблица 1

j _,град	I, дел.		cos²j

7. Построить график зависимости величины от cos²j. Подтверждением справедливости закона Малюса будет служить совпадение этого графика с прямой, тангенс угла наклона которой равен единице.

Контрольные вопросы

1. Что называется естественным и поляризованным светом?

2. Способы получения поляризованного света (поляризация при отражении и преломлении; двойное лучепреломление)

3. Устройство и принцип действия поляризаторов (призма Николя, поляроиды).

4. Закон Малюса.

Лабораторная работа 306

ВЕЩЕСТВА ПО УГЛУ БРЮСТЕРА

Цель работы - определить показатель преломления призмы по углу Брюстера.

Из теории следует (см. раздел 2), что если поляризованный свет, колебания вектора Е которого происходят в плоскости падения луча, падает на призму под углом Брюстера a_Бр ( ), то интенсивность отраженного луча равна нулю. В данной работе плоскость падения является горизонтальной (совпадает с плоскостью рис. 15).Абсолютный показатель преломления первой среды (воздуха) равен единице, то относительный показатель преломления n₂₁ равен абсолютному показателю преломления n вещества призмы. Таким образом, чтобы определить абсолютный показатель преломления призмы, достаточно найти такой угол падения a, при котором интенсивность отраженного света будет равна нулю.

Описание установки.

Оптическая схема и внешний вид установки приведены соответственно на рис. 15 и 16.

На оптической скамье устанавливаются осветитель 1, поляризатор во вращающейся оправе 2, диафрагма 3, гониометрический столик 4, на котором крепится призма 5. Экран 6 устанавливается на отдельной оптической скамье сбоку от призмы.

Луч от осветителя 1, проходя через поляризатор 2 и диафрагму 3, падает на грань призмы 5 и отражается на экране 6. Угол падения луча a регулируется поворотом гониометрического столика 4. Плоскость колебаний поляризованного луча регулируется вращением оправы поляризатора 2.

Порядок выполнения работы.

1. Включить блок питания 7 осветителя в сеть 220 В.

2. Расположить осветитель 1, поляризатор 2, диафрагму 3 на оптической скамье так, чтобы их центры находились на одной прямой (световое пятно должно находиться в пределах диафрагмы).

3. Затем необходимо совместить плоскости колебания поляризованного луча с плоскостью падения, т.е. ориентировать ее горизонтально.

3.1. Для этого вращением гониометрического столика 4 блик, отраженный от передней грани призмы 5, направить на диафрагму 3 и отсчитать показание гониометра a₀, которое будет служить нулевым отсчетом.

3.2. Далее необходимо повернуть гониометрический столик на угол ~50° (относительно a₀) и наблюдать на экране 6 блик, отраженный от передней грани призмы.

3.3. Вращая кольцо поляризатора 2, добиться наибольшего погашения отраженного луча на экране. Освещенность будет наименьшей, если плоскость поляризатора будет совпадать с плоскостью падения, т.е. расположена горизонтально.

4. Поворачивая гониометрический столик 4, добиться полного погашения отраженного луча на экране. Зарегистрировать угол поворота a.

5. Вычислить угол Брюстера a_Бр по формуле и определить показатель преломления вещества призмы n по формуле . Полученные результаты занести в табл. 2.

Таблица 2

№ п/п	a₀, град	a, град	a_Бр, град	n

6. Повторить измерения n согласно пунктам 3-6 три раза. Произвести оценку ошибок полученных результатов по следующей схеме:

6.1. Вычислить среднее арифметическое значение n:

6.2. Найти остаточные ошибки отдельных измерений:

6.3. Вычислить среднюю квадратичную ошибку среднего значения:

6.4. При заданной доверительной вероятности d = 0, 95 по таблице Стьюдента найти коэффициент Стьюдента для трех измерений, t_d.

6.5. Оценить границы доверительного интервала результата измерений:

6.6. Вычислить относительную погрешность результата измерений:

6.7. Окончательный результат записать в виде

при d = 0, 95.

6.8. Сравнить полученное значение с табличным n^Т =

Контрольные вопросы.

5. Что называется естественным и поляризованным светом?

6. Способы получения поляризованного света.

7. Каков характер поляризации отраженного и преломленного лучей, возникающих при падении естественного света на поверхность диэлектрика?

8. Какие колебания вектора Е относительно плоскости падения преобладают в а) отраженном, б) преломленном лучах?

9. При каком угле падения естественного света на поверхность диэлектрика отраженный луч полностью поляризован?

10. Чему равна интенсивность отраженного и преломленного лучей, если падающий под углом Брюстера свет имеет колебания вектора Е а) в плоскости падения, б) перпендикулярно плоскости падения?

Лабораторная работа 308₂

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРНОГО РАСТВОРА

УНИВЕРСАЛЬНЫМ САХАРИМЕТРОМ СУ-2

Цель работы – изучить метод измерения концентрации раствора сахара по углу поворота плоскости поляризации света.

Формула (7) из раздела 4 лежит в основе весьма точного метода определения концентрации растворов оптически активных веществ, например, сахара. Этот метод широко используется в пищевой промышленности, в частности, в сахароварении и виноделии.

Приборы, предназначенные для определения угла поворота плоскости поляризации, называются поляриметрами. Поляриметры, используемые для определения концентрации сахара в растворе, называются сахариметрами.

Принцип действия поляриметра можно объяснить с помощью рис. 17.

Два скрещенных поляризатора П и А не пропускают света. Если между ними поместить трубку с раствором сахара, то плоскость поляризации луча, вышедшего из поляризатора П, после прохождения через раствор, повернется на некоторый угол j. В результате интенсивность света на выходе анализатора А будет отлична от нуля. Поворачивая анализатор на угол j в направлении, обратном повороту плоскости поляризации, можно вновь добиться нулевой интенсивности света на выходе анализатора. Тогда измерив угол поворота анализатора j, и зная удельное вращение [а], по формуле (7) можно определить, в принципе, концентрацию c раствора.

В сахариметре СУ-2 поворот плоскости поляризации луча оптически активным раствором компенсируют не анализатором, а с помощью специального кварцевого компенсатора, расположенного перед анализатором.

Основными частями сахариметра СУ-2 (рис. 18) являются узел измерительной головки 1 и осветительный узел 2, соединенные между собой траверсой 3, на которой укреплена камера 4 для поляриметрических трубок 5. С лицевой стороны измерительной головки прибора имеются лупа в оправе 6 для отсчета показаний по шкале и зрительная труба 7 поля зрения. С тыльной стороны измерительной головки находится узел нониуса 8. Рукоятка 9 кремальерной (винтовой) передачи служит для перемещения подвижного кварцевого клина и связанной с ним шкалы. Осветительный узел имеет передвигающуюся рамку, в которой находится стеклянный светофильтр, матовое стекло и патрон с лампочкой. Лампочка подключается через понижающий трансформатор 10 в сеть переменного тока 220 В.

Оптическая схема сахариметра СУ-2 приведена на рис. 19. Свет от осветительной лампы 1 проходит через матовое стекло 3 предназначенное для рассеивания света. Вместо матового стекла может быть введен светофильтр 2. Далее световой поток проходит через конденсорную линзу 4 и попадает на поляризатор 5. За поляризатором 5 установлена бикварцевая пластинка 6, формирующая поле зрения прибора. Далее располагается поляриметрическая трубка 7 с исследуемым раствором. Затем следует блок кварцевых клиньев 8, образующих кварцевый компенсатор. Поворот плоскости поляризации контролируется анализатором 9. Зрительная труба 10 сфокусирована на выходную грань поляризатора 5. При помощи зрительной трубы можно рассмотреть линию раздела поля зрения прибора, создаваемого бикварцем 6.

Свет от осветительной лампы 1 используется также для освещения шкалы 11 и нониуса 12. Для отсчета показаний шкалы используется лупа 13.

Подвижный кварцевый клин 8 служит для компенсации поворота плоскости поляризации луча оптически активным раствором. Перемещение клина осуществляется вращением рукоятки кремальерной (винтовой) передачи. При этом одновременно вращается шкала 11 с нониусом 12, фиксирующая перемещение кварцевого клина. Шкала градуирована в угловых градусах, определяющих поворот плоскости поляризации исследуемым раствором.

Бикварц 6 состоит из двух пластинок право- и левовращающего кварца, вырезанных перпендикулярно оптической оси и склеенных между собой по линии раздела поля зрения. Плоскость поляризации света, вышедшего из поляризатора, поворачивается одной частью бикварца влево, другой частью - вправо на такой же угол. Если поляризатор и анализатор параллельны (или скрещены), а компенсатор 8 установлен на нуль, то в отсутствие оптически активного вещества обе половины поля зрения будут освещены (затемнены) одинаково. Если в камеру прибора поместить оптически активный раствор, то плоскости поляризации обоих лучей повернутся в одну сторону на одинаковый угол j. Симметрия расположения плоскостей поляризации по отношению к анализатору нарушится, и обе половины поля зрения будут освещены по-разному. Для восстановления симметрии обе плоскости поляризации поворачивают с помощью компенсатора в обратную сторону на такой же угол j, вводя кварцевый клин 8,. Поворот плоскости поляризации на угол j компенсатором фиксируется по восстановлению одинаковой освещенности обеих половин поля зрения. Значение угла отсчитывается по шкале 11.

Отсчет показаний прибора. Перед началом работы прибор необходимо установить на нуль. Вращая рукоятку кремальерной (винтовой) передачи добиваются полной однородности освещения обеих половин поля зрения (рис. 20б). Нулевые деления шкалы и нониуса при этом должны совпадать (рис. 21).

При помещении поляриметрической трубки с исследуемым раствором однородность освещенности половин поля зрения нарушается (рис. 20а). Повторив те же операции, добиваются однородности поля зрения и производят отсчет показаний прибора.

Отсчет следует производить с точностью до 0, 1 доли градуса по двум шкалам. Целые значения отсчитываются по нижней основной шкале, одно деление шкалы соответствует 1 градусу. Отсчет в градусах равен количеству полных делений на основной шкале, отсекаемых нулевой отметкой нониуса. Десятые доли градуса отсчитываются по верхней шкале нониуса. Для этого определяют, какое деление нониуса, одно из десяти, совпадает с каким-либо делением основной шкалы. Это деление нониуса и определяет число десятых долей градуса. Причем, если нуль нониуса находится правее нуля основной шкалы - отсчет имеет знак “+”, если левее, то знак “-”. На рис. 22 показано наложение шкалы и нониуса, соответствующее отсчету +11, 3°.

Порядок выполнения работы:

1. Включить сахариметр через понижающий трансформатор 10 в сеть с напряжением 220 В.

2. Перемещением муфты зрительной трубы 7 установить окуляр на резкое изображение линии раздела поля зрения.

3. Вращением рукоятки 9 добиться однородного затемнения обеих половин поля зрения.

4. Перемещая лупу 6 добиться четкого изображения шкалы. Нулевые деления шкалы и нониуса при этом могут не совпадать, как приведено на рис.. В этом случае необходимо снять нулевой отсчет a₀.

5. Поместить в камеру сахариметра трубку с 2% раствором сахара. Однородность освещения половин поля зрения при этом нарушится. Вращением рукоятки 9 вновь добиться однородного освещения обеих половин поля зрения. Снять показание прибора a, которое будет соответствовать углу поворота плоскости поляризации данным раствором.

6. Определить угол поворота плоскости поляризации остальными растворами. Результаты измерений занести в табл. 3.

Таблица 3

Концентрация раствора с, % х

Показания прибора a

7. По данным таблицы построить градуировочный график зависимости угла поворота плоскости поляризации a от концентрации с раствора и определить по нему концентрацию x раствора неизвестной концентрации.

Контрольные вопросы

1. Что называется естественным и поляризованным светом?

2. Способы получения поляризованного света.

3. Оптически активные вещества.

4. От чего зависит угол поворота плоскости поляризации света оптически активными веществами?

5. Поляриметры и их применение. Принцип действия универсального сахариметра.

6. В чем заключается метод определения концентрации раствора сахара, используемый в данной работе?

Лабораторная работа 308а

ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ

Цель работы - изучить явление вращения плоскости поляризации света при его прохождении через вещество, на которое наложено магнитное поле.

Все вещества по способности вращать плоскость поляризации делятся на оптически активные и неактивные. Вещества, не обладающие естественной способностью вращать плоскость поляризации, приобретают такую способность под влиянием магнитного поля. Это явление, называемое эффектом Фарадея, наблюдается только при распространении света вдоль направления магнитного поля (точнее – вдоль вектора намагниченности).

Угол поворота j плоскости поляризации пропорционален пути l, проходимому светом в веществе и напряженности магнитного поля H:

(9)

Коэффициент V называется постоянной Верде или удельным магнитным вращением. Постоянная Верде зависит от длины волны l падающего света

, (10)

где А и В – постоянные, зависящие от свойств вещества и температуры.

Направление вращения определяется по отношению к направлению магнитного поля. Вещества, поворачивающие плоскость поляризации вправо относительно направления силовых линий магнитного поля, называются правовращающими или положительными. Соответственно, вещества, поворачивающие плоскость поляризации влево, называются левовращающими или отрицательными. Причем знак угла вращения j не зависит от направления луча. Следовательно, если, отразив луч зеркалом, заставить его пройти через намагниченное вещество еще раз в обратном направлении, то поворот плоскости поляризации удвоится.

Вращение плоскости поляризации обусловлено возникающей под действием магнитного поля прецессией электронных орбит атомов вещества, вследствие чего скорость вторичных электромагнитных волн с различным направлением круговой поляризации становится неодинаковой, в результате плоскость поляризации поворачивается. В данной работе в качестве вещества, поворачивающего плоскость поляризации под воздействием магнитного поля, используется дистиллированная вода.

Описание прибора

Для наблюдения эффекта Фарадея используется поляриметр 1 типа СУ-2, принцип действия и оптическая схема которого описаны в работе 308. Поляриметр включается в сеть 220 В через понижающий трансформатор 7 (рис. 23). В камеру 3 поляриметра помещается поляриметрическая трубка 2 с намотанным на нее соленоидом, заполнена дистиллированной водой. При пропускании тока через соленоид создается продольное магнитное поле, под действием которого происходит вращение плоскости поляризации света, проходящего через дистиллированную воду. Блок питания 4 соленоида включается в сеть 220 В. Сила тока, проходящего через соленоид, регулируется вращением рукоятки 6 и регистрируется амперметром 5.

Порядок выполнения работы

1. Включить трансформатор 7 и блок питания 4 соленоида в сеть 220 В.

2. Перед началом измерений необходимо определить нулевое показание поляриметра j₀, следуя указаниям работы 308 на с.

3. Включить тумблер «Сеть» блока питания 4 соленоида.

4. Измерить угол поворота плоскости поляризации j при различных значениях силы тока I соленоида, приведенных в табл. 4. Процедура измерения угла поворота j подробно описана в работе 308, с. Она сводится к выравниванию освещенности поля зрения в зрительной трубе 8 (рис. 23). Измерения при относительно больших токах (2, 5 и 3 А) следует произвести быстро, чтобы избежать перегрева соленоида.

5. По окончании измерений довести показание амперметра 5 с помощью рукоятки 6 до нулевого значения. Выключить тумблеры.

6. Для заданных величин силы тока I определить соответствующие значения напряженности H магнитного поля с помощью градуировочного графика, закрепленного на рабочем столе. Данные измерений занести в табл. 4.

Таблица 4

I, A 0, 5 1, 0 1, 5 2, 0 2, 5 3, 0

H, A/м

j, град

7. Построить график j(H)зависимости угла поворота j плоскости поляризации от напряженности магнитного поля H.

8. С помощью графика определить постоянную Верде V (см. формулу (9)). Длина трубки с раствором l = 0, 40 м.

Контрольные вопросы

1. Дать определение естественного и поляризованного света. 2. Способы получения поляризованного света.

2. Эффект Фарадея.

3. Физический смысл постоянной Верде.

4. Принцип действия поляриметра.

5. Объяснить полученные результаты.
Лабораторная работа 309

ТЕЛАХ ОПТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Цель работы – изучить возникновение внутренних напряжений в деформированных аморфных телах методом интерференции поляризованных лучей.

Обнаружено, что оптически изотропное тело под влиянием механической деформации становится оптически анизотропным. Например, при одностороннем сжатии или растяжении стеклянной пластинки она приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением СС’ сжатия или растяжения (рис. 24).

Поместив деформированную стеклянную пластинку В между поляризатором и анализатором вместо кристаллической пластинки К (рис. 11), можно наблюдать интерференционную картину, аналогичную рассмотренной в разделе 3. Разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси, пропорциональна при этом нормальному напряжению Т[3]:

где с - коэффициент, зависящий от свойств среды (константа фотоупругости). Согласно формуле (8), оптическая разность хода s этих лучей для пластины толщиной d будет равна

. (11)

(Предполагается, что при сжатии изменение толщины пластины несущественно.)

По виду изохромат интерференционной картины можно судить о распределении внутренних напряжений в образце. Каждая изохромата проходит через точки, в которых величины оптической разности хода s обыкновенного и необыкновенного лучей, а следовательно, и напряжений Т одинаковы. Таким образом, изохроматам с одинаковой окраской соответствуют одинаково деформированные области образца.

Явление интерференции поляризованного света в прозрачных деформированных материалах используется для обнаружения остаточных внутренних напряжений, которые могут возникнуть, например, вследствие нарушения технологии изготовления изделий. Данное явление используют также для изучения внутренних напряжений и в непрозрачных деталях (частях машин, сооружений). При этом интерференцию осуществляют на моделях исследуемых деталей, которые изготовляют из целлулоида или другого прозрачного материала. Модель подвергается действию нагрузок, подобных тем, которые испытывает сама деталь. Такой метод изучения деформаций на прозрачных моделях образцов, называемый «методом фотоупругости», получил широкой распространение. Он позволяет непосредственно увидеть распределение деформаций в образце.

Описание прибора

Исследование напряжений в прозрачных деталях проводится при помощи полярископа ПКС-56 (рис. 25), состоящего из осветителя 1, поляризатора (поляроида) 2, расположенного непосредственно за осветителем 1, корпуса 3, сектора с чувствительной пластинкой 4, головки анализатора 5 и предметного столика 6. Поляроидная пленка изготовлена из сернокислого йод-хинина, нанесенного на целлулоид. Свет от лампочки 1 попадает на поляроид 2, в котором осуществляется двойное лучепреломление. Вследствие характерного для материала поляроида явления дихроизма из него выходит только плоско поляризованный необыкновенный луч. Далее свет проходит через испытуемое тело, помещенное на предметный столик 6, и попадает на анализатор 5, функцию которого выполняет еще один поляроид. Перед анализатором укреплен сектор 4 с кварцевыми пластинками, которые обладают свойством двойного лучепреломления. При прохождении света через кварцевую пластинку обыкновенный и необыкновенный лучи приобретают дополнительную разность хода, зависящую от толщины пластинки. Пластину вводят в том случае, если разность хода обыкновенного и необыкновенного лучей в испытуемом образце недостаточна для наблюдения интерференционной картины в видимом свете. Введенная пластина искусственно увеличивает разность хода s лучей до величины, достаточной для выполнения условия максимума интерференции (s = ml, где m – целое число). По цвету интерференционной картины в принципе можно определить разность хода s обыкновенного и необыкновенного лучей, и при известных толщине образца d и константе фотоупругости с, по формуле 11 можно восстановить картину распределения напряжений в образце.

Порядок выполнения работы

1. Включить лампу осветителя полярископа в сеть 220 В.

2. Вращая головку анализатора 5, установить анализатор на нулевое деление, что соответствует скрещенному положению поляризатор-анализатор (темное поле зрения).

3. Установить сектор 4 в такое положение, при котором кварцевая пластина выведена из поля зрения. Для этого рукоятку сектора, расположенную под головкой анализатора 5, необходимо повернуть в крайнее правое положение.

4. Прозрачную модель №1 (рис. 26) установить в пресс для сжатия (рис. 27), не зажимая его, и поместить между поляризатором и анализатором на столик 6. Рассмотрите интерференционную картину в окуляр полярископа. Если наблюдаемая интерференционная картина размыта, то, повернув рукоятку сектора 4, вводят кварцевую пластину. При этом за счет увеличения разности хода s обыкновенного и необыкновенного лучей наблюдаемая картина должна стать более четкой.

5. Затем, слегка завинтив винт пресса, задайте нагрузку на образец. Направление деформации, которые следует задать с помощью винта, указаны с помощью стрелок на рис. 26(начинать с №2). Следите за тем, чтобы деформация не привела к разрушению образца!

6. Рассмотрите полученную интерференционную картину, и цветными карандашами зарисуйте изохроматические линии.

7. Выполните это задание и для других образцов № 3–5, укрепив их предварительно в пресс для сжатия.

Контрольные вопросы

1. Интерференция поляризованных лучей.

2. От чего зависит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей?

3. Какие линии называются изохроматическими?

4. Искусственная оптическая анизотропия.

5. Какую информацию содержит интерференционная картина о распределении напряжений в прозрачном твердом образце?

6. Для чего при наблюдении интерференционной картины в полярископе вводится кварцевая пластинка?

7. Что представляет собой поляризатор, используемый в данной работе? На чем основан принцип его действия?

[1] Другими словами, в оптически изотропной среде вектор D электрического смещения совпадает по направлению с вектором E и связан с ним соотношением D = ee₀ E.

[2] У двуосных кристаллов (слюда, гипс, топаз) оба преломленных луча - необыкновенные.

[3] Напряжение определяется как модуль силы, приходящейся на единицу площади [2, c. 49].

Введение

Естественный и поляризованный свет

Свет, в котором представлены электромагнитные волны со всевозможными направлениями колебаний векторов напряженностей электрического поля Е и магнитного поля Н (удовлетворяющими условиям взаимной перпендикулярности и перпендикулярности к направлению распространения волны, см. рис. 1), называется естественным светом. Естественный свет неполяризованный. Поскольку векторы Е и Н перпендикулярны друг другу, то для описания поляризации света требуется знание поведения лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирается вектор Е. У естественного света хаотический меняется со временем направление вектора Е в данной точке пространства. Если имеется некоторое преимущественное направление вектора Е, то свет будет поляризованным. Свет, у которого Е колеблется в одной плоскости, называют плоскополяризованным или линейно поляризованным. Плоскость, проходящая через вектор Е и направление распространения волны называется плоскостью поляризации, а перпендикулярная ей плоскость – плоскостью колебаний. Источники естественного света содержат огромное число атомов и молекул, возбужденных в различной степени. Одинаково возбужденные атомы излучают свет одной и той же частоты, но с самыми различными начальными фазами и с различной ориентацией плоскости поляризации в пространстве. В результате в естественном монохроматическом свете вектор Е в каждой точке пространства непрерывно и хаотический меняет свое направление в плоскости, перпендикулярной световому лучу, так что все направления оказываются равновероятными ( см. рис. 2 а). Направление Е в каждый момент времени непредсказуемо.

Рис. 1

Колебания вектора E в любой точке пространства можно представить как результат сложения двух взаимно перпендикулярных векторов, E_x и E_y, каждый из которых описывает плоско поляризованную волну (рис. 3):

При разности фаз d = mp (m = 0; ±1; ±2; ...) угол a не зависит от времени, т.е. колебание результирующего вектора E совершается в фиксированном направлении, что соответствует плоско поляризованной волне. При d = (2m+1)p/2 (m = 0; ±1; ±2; ...) и равенстве амплитуд, E_x₀ = E_y₀, конец вектора E описывает окружность - волна оказывается поляризованной по кругу (или циклически поляризованной). В случае произвольного постоянного значения d конец вектора E в каждой точке поля описывает эллипс. Такая волна называется эллиптически поляризованной. Естественный свет в свою очередь можно представить как результат сложения двух взаимно перпендикулярных плоско поляризованных волн с равной амплитудой, разность фаз d которых претерпевает случайные хаотические изменения.

Естественный свет может быть превращен в плоскополяризованный с помощью приборов, называемых поляризаторами. Поляризаторы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости, которая называется плоскостью поляризатора, и задерживают колебания, перпендикулярные этой плоскости. Другими словами, через поляризатор проходит только та составляющая вектора E, которая параллельна плоскости поляризатора. Амплитуда E_П этой составляющей связана с углом q между вектором E падающего света и плоскостью поляризатора, . При этом интенсивность I _П света, прошедшего сквозь поляризатор, которая пропорциональна квадрату амплитуды, будет равна

, (1)

где I – интенсивность света на входе поляризатора. Для естественного света все значения угла q равновероятны, поэтому среднее значение cos²j = 1/2. Это означает, что интенсивность естественного света, прошедшего через поляризатор, уменьшается в 2 раза:

. (2)

12 3 4