Отримання та дослідження поляризованого світла
Транскрипт
1 Отримання та дослідження поляризованого світла. Мета роботи: вивчити явище поляризації світла. Завдання, що вирішуються: - отримати лінійно поляризоване світло; - простежити зміни інтенсивності світла залежно від кута між осями поляризатора та аналізатора; - перевірити справедливість закону Малюса; - поспостерігати проходження плоскополяризованого світла через кристалічну пластинку, вирізану з одновісного кристала паралельно його оптичній осі; - визначити вид поляризації світла в залежності від товщини пластинки та кута між напрямом коливань електричного вектора в поляризованому світлі, що падає на пластинку та віссю пластинки. Розглянемо проходження лінійно поляризованого світла через кристал. Світло певної довжини хвилі, що пройшло через поляризатор, направимо нормально на кристалічну пластинку, вирізану з одновісного кристала паралельно його оптичної осі. Усередині кристала будуть поширюватися по одному напрямку, але з різними швидкостями два промені, поляризовані у двох взаємно перпендикулярних напрямках, які називають головними напрямками (- і -) кристалічної пластинки. Якщо шлях променів в кристалі дорівнює l, то оптична різниця ходу, що виникає на цьому шляху, дорівнює l no ne і відповідна цій різниці ходу різниця фаз буде дорівнює: 2 2 l no ne. На виході з кристала коливання вектора Е становлять суму двох перпендикулярних взаємно коливань однакової частоти з різницею фаз. Якщо дивитися назустріч променю, то кінець результуючого вектора Е безперервно обертається, ковзаючи еліпсом. На рис. 1 зображено схему такої еліптично поляризованої хвилі, що поширюється в напрямку осі OX. Форма еліпса та його орієнтація щодоосей (оптичної осі та напрямки, перпендикулярного їй) залежить від різниці ходу складаються хвиль. Еліптична поляризація – найбільш загальний вид поляризації поперечних хвиль. Окремими випадками еліптичної поляризації є: лінійна, коли довжина однієї з осей еліпса дорівнює нулю, і кругова (циркулярна), коли осі еліпса однакові.
2 Мал. 1. Еліптично поляризована хвиля. Анізотропна платівка, при проходженні якої різниця оптичних шляхів звичайної та незвичайної хвиль становить: l no ne m 1 4 де m = 0, 1, 2. називається пластинкою в чверть хвилі. Якщо лінійно поляризоване світло падає нормально на таку платівку, то світло, що виходить з неї, буде в загальному випадку еліптично поляризоване. Осі еліпса будуть паралельні головним напрямкам платівки. Якщо площина поляризації падаючого на пластинку променя ділить навпіл кут між головними напрямками, то світло, що виходить із пластинки в чверть хвилі, буде поляризованим по колу. Кристалічна пластинка, що вносить різницю ходу між звичайним і незвичайним променями: l no ne m 1 2 де m = 0, 1, 2. називається напівхвильовою або пластинкою в половину довжини хвилі. На виході з такої платівки звичайний і незвичайний промені, складаючись, знову дають лінійно поляризоване світло, проте його площина поляризації виявиться поверненою на кут 2 - кут між площиною коливань вектора Е в хвилі падаючої і віссю пластинки). Основним завданням даної є ознайомлення з методами отримання світла з різним видом поляризації і зі способами дослідження стану поляризації світлового пучка. Чвертьхвильова та напівхвильова пластинки є такими лише для певної довжини хвилі світла. Для хвильових платівок, що використовуються в даній роботі, необхідно використовуватижовте світло. Оптичні елементи та апаратура: оптична лава (1); освітлювач (галогенна лампа в корпусі) (2) та блок живлення (3);
3 тримач та скляний фільтр (4); поляроїди поляризатор (5) та аналізатор (6); чвертьхвильова платівка (7); напівхвильова платівка (8); цифро-аналоговий мультиметр (9); селеновий фотоелемент (10); універсальні затискачі (11); жовтий світлофільтр (входить у комплект і встановлюється у тримачі 4). Рис.1. Загальний вид установки Рис 2. Окремі деталі установки
4 Порядок виконання: Вправа 1. Перевірка закону Малюса. 1. Прибрати чвертьхвильову та напівхвильову пластинки з оптичної лави (вони будуть використовуватися в наступних вправах). Увімкнути галогенну лампу. 2. Встановити поляроїди в затискачах на одній висоті так, щоб промінь світла від галогенної лампи, проходячи через них, потрапляв на селеновий фотоелемент. 3. Встановити поляризатор на 90 0, а аналізатор повернути так, щоб інтенсивність світла, що проходить через систему, була максимальною. 4. Послідовно повертаючи аналізатор (6, рис.1) з кроком 5-10 o виміряти фотоедс для кожної орієнтації аналізатора. Провести ці вимірювання для повороту аналізатора на Неминуча фон (шум) сигналу, зумовлений зовнішнім освітленням скоригувати, віднімаючи від усіх отриманих значень фотоед величини I min - значення інтенсивності в мінімумі. 6. На координатній сітці побудувати графік залежності I I max (де I величина фотоедс при даному вугіллі повороту аналізатора, а I max - значення фотоедс в максимумі) від кута між площинами поляризатора та аналізатора. 7. Для порівняння з теоретичним законом на тій же координатній сітці побудувати графік функції y Cos 2 де - кут, що відраховується від напрямку максимального пропускання поляризаторів. Вправа 2. Визначення основнихнапрямів кристалічної платівки. 1. Схрестити поляризатор і аналізатор (інтенсивність минулого світла, і, отже, фотоедс у своїй мінімальні). Записати відліки на оправах поляризатора та аналізатора, що відповідають цьому положенню (орієнтовно поляризатор на 900, аналізатор на 00). 2. Встановити з-поміж них кристалічну пластинку λ/4. Послідовно повертаючи пластинку від 0 0 до кроком , вимірювати в кожному положенні пластинки величину фотоедс. 3. Побудувати графік залежності інтенсивності світла (величини фотоедс) від кута повороту платівки. 4. Знайти за цим графіком значення кутів орієнтації пластинки, у яких інтенсивність світла, що пройшов через систему, буде мінімальною. Ці положення визначають основні напрямки кристалічної платівки.
5 Вправа 3. Отримання та дослідження поляризованого світла за допомогою кристалічної пластинки λ/4. 1. Помістіть між освітлювачем та фотоелементом поляризатор та аналізатор. Зорієнтуйте поляризатор у положення 0 0 по діленням на його оправі. 2. Виміряйте інтенсивність світла (величину фотоедс) як функцію положення аналізатора в межах кута від 90 0 до з кроком Помістіть пластинку λ/4 на оптичну лаву між поляризатором і аналізатором. 4. Виміряйте інтенсивність світла як функцію положення аналізатора в межах кута від 90 0 до з кроком (тобто повторіть пункт 2) для різних кутів α головного напрямку кристалічної пластинки з напрямком пропускання поляризатора (α=0 0, 30 0, 45 0 , 60 0). 5. Побудуйте на одній координатній сітці графіки залежності фотоедс від положення аналізатора для випадків, коли: а) між поляризатором та аналізатором немає платівки λ/4; б) платівка λ/4 вміщена під кутами α = 0 0, 30 0, 45 0, Вправа 4. Отримання та дослідження поляризованого світла здопомогою кристалічної пластинки λ/2. 1. Помістіть платівку λ/2 на оптичну лаву між поляризатором та аналізатором. 2. Виміряйте інтенсивність світла як функцію положення аналізатора в межах кута від 90 0 до з кроком для різних кутів α кристалічної пластинки (α = 0 0, 30 0, 45 0 ). 3. Побудуйте на одній координатній сітці графіки залежності величини фотоедс від положення аналізатора для випадків, коли: а) між поляризатором і аналізатором немає платівки λ/2 (дані візьміть із пункту 2 вправи 2); б) платівка λ/2 поміщена під кутами α=0 0, 30 0. Порівняйте та поясніть результати, отримані у вправах 2 та 3. Контрольні питання: 1. Види поляризації світла. 2. Закон Малюса. 3. Явище подвійного променезаломлення. 4. Побудова Гюйгенса для одновісних кристалів. 5. Проходження лінійно поляризованого світла через кристалічну пластинку. Платівки «/2» та «/4». 6. Аналіз поляризованого світла. 7. Поляризаційні пристрої (поляроїди, поляризаційні та двоякозаломлюючі призми). 8. Експеримент. Аналіз результатів експерименту.
6 Рекомендована література. 1. Ландсберг Г.С. Оптика, Изд.6, М., Фізматліт, Глави XVI, XVII, XVIII. 2. Сівухін Д.В. Загальний курс фізики т.4. Оптика. Вид.3. М., Фізматліт, , Савельєв І.В. Курс загальної фізики. Книга 5. М., АСТ: Астрель, Глава Бутіков Є.І. Оптика. Изд.2, С-Пб., Невський діалект, Годжаєв Н.М. Оптика., М., Вища школа, Розділ IX.