🗊Презентация Поляризация света. Лекция 17

Лекция 17. Поляризация света

Вопросы: Вопросы: Естественный и поляризованный свет. Виды поляризации Закон Малюса Поляризация при отражении и преломлении. Закон Брюстера Двойное лучепреломление. Поляризация света при двойном лучепреломлении Распространение световых волн в одноосных кристаллах Поляризационные призмы и поляроиды Интерференция поляризованных волн

Естественный и поляризованный свет. Виды поляризации

Естественный и поляризованный свет. Виды поляризации

Естественный и поляризованный свет. Виды поляризации

Естественный и поляризованный свет. Виды поляризации

Поляризация при отражении и преломлении Если угол падения α естественного света Е на границу раздела двух прозрачных диэлектриков отличен от нуля, то отраженный и преломленный лучи оказываются частично-поляризованными. В отраженном свете преобладают колебания вектора Е’, перпендикулярные к плоскости падения, а в преломленном луче E” - колебания параллельны плоскости падения.

Поляризация при отражении и преломлении Преломленный луч при α = αБ остается частично поляризованным c наибольшей степенью поляризации (Рmax). Замечание. Можно легко убедиться, что в этом случае отраженный и преломленный луч - взаимно перпендикулярны.

Поляризация при отражении и преломлении Для повышения степени поляризации преломленного света падающий световой пучок направляют под углом Брюстера αБ на целую «стопу» одинаковых и параллельных друг другу пластинок; и за счет ряда последовательных отражений и преломлений получают проходящий через «стопу» свет практически полностью плоскополяризованным в плоскости падения исходного пучка. Интенсивность прошедшего света (в предположении отсутствия поглоще-ния) будет равна ½ интенсивности падающего естественного света (I ≈ ½ Iест.).

Поляризация при отражении и преломлении Эта идея получения плоскополяризованного света нашла воплощение в газовых лазерах, где торцы газоразрядной трубки (ГРТ) представляют собой плоскопараллельные стеклянные пластинки, расположенные под углом Брюстера к оси трубки.

Поляризация при отражении и преломлении Замечание. Степень поляризации отраженного и преломленного лучей при произвольном угле падения света α можно получить с помощью формул Френеля, которые вытекают из условий, налагаемых на электромагнитное поле на границе раздела двух диэлектриков (равенство тангенциальных составляющих векторов Е и Н, а так же равенство нормальных составляющих векторов D и B по обе стороны границы раздела). Так же, исходя из формул Френеля, можно получить коэффициенты отражения плоскополяризованных лучей: 1) с плоскостью поляризации, перпендикулярной плоскости падения , где β - угол преломления; 2) с плоскостью поляризации, параллельной плоскости падения .

Поляризация при отражении и преломлении Замечание. Формулы Френеля для интенсивности света, отраженного от границы раздела двух диэлектриков: , =, где I┴ и I|| – интенсивности падающего света, у которого колебания вектора Е соответственно перпендикулярны и параллельны плоскости падения.

Двойное лучепреломление. Поляризация света при двойном лучепреломлении При прохождении света через все прозрачные кристаллы-диэлектрики, за исключением принадлежащих к кубической кристаллической системе, типа NaCl, наблюдается явление двойного лучепреломления. Это явление связано с оптической анизотропией кристаллов, т.е. зависимостью характеристик света от направления его распространения в кристалле. Определение. Явление двойного лучепреломления заключается в том, что упавший на кристалл луч разделяется внутри кристалла на два луча, распространяющихся, вообще говоря, в различных направлениях и с разными скоростями. Замечание. Существуют кристаллы одноосные и двуосные.

Двойное лучепреломление. Поляризация света при двойном лучепреломлении У одноосных кристаллов один из преломленных лучей подчиняется обычному закону преломления (), лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к поверхности и его называют обыкновенным и обозначают «о».

Наиболее сильно двойное лучепреломление выражено у таких одноосных кристаллов, как исландский шпат (разновидность СаСО3 - с гексагональной кристаллической системой), кварц, турмалин. Наиболее сильно двойное лучепреломление выражено у таких одноосных кристаллов, как исландский шпат (разновидность СаСО3 - с гексагональной кристаллической системой), кварц, турмалин. Замечание. К двуосным кристаллам относятся: слюда, гипс; у них оба луча - необыкновенные. Определение. У одноосных кристаллов имеется особое направление, вдоль которого «о» и «е» - лучи распространяются не разделяясь и с одинаковой скоростью; это направление называется оптической осью (оо’ – см. рис.). У двуосных кристаллов имеются два таких направления.

Определение. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением (или главной плоскостью) кристалла. Определение. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением (или главной плоскостью) кристалла. Замечание. На практике обычно пользуются главным сечением, проходящим через ОО’ и световой луч. Исследования показывают, что оба луча – «о» и «е» - полностью поляризованы во взаимно перпендикулярном направлениях, а именно: плоскость колебаний вектора Е0 в обыкновенном луче перпендикулярна к главному сечению кристалла, а в необыкновенном луче колебания вектора Ее совершаются в плоскости, совпадающей с главным сечением кристалла.

В обыкновенном луче колебания вектора Ео, как известно, происходят в направлении, перпендикулярном к главному сечению кристалла, поэтому при любом направлении обыкновенного луча вектор Ео образует с оптической осью угол α = π/2, и скорость «o»- луча будет одна и та же: vo= c/. Изображая скорость vo в виде отрезков, отложенных из общего центра S (допустим как из источника света) по разным направлениям, получаем сферическую волновую поверхность радиуса vo (см. рис.). В обыкновенном луче колебания вектора Ео, как известно, происходят в направлении, перпендикулярном к главному сечению кристалла, поэтому при любом направлении обыкновенного луча вектор Ео образует с оптической осью угол α = π/2, и скорость «o»- луча будет одна и та же: vo= c/. Изображая скорость vo в виде отрезков, отложенных из общего центра S (допустим как из источника света) по разным направлениям, получаем сферическую волновую поверхность радиуса vo (см. рис.).

Поляризационные призмы и поляроиды Эффект двойного лучепреломления используется в поляризаторах – устройствах для преобразования естественного света в плоскополяризованный. Призма Николя (или просто «николь») - как поляризатор. Эта призма изготавливается из исландского шпата (разновидность СаСО3 с гексагональной кристаллической решеткой). Призма в форме ромбоэдра распиливается на две половинки, которые затем склеиваются канадским бальзамом (смола канадской сосны), для которого выполняется условие по показателю преломления: nе < nБ < n0.

Поляризационные призмы и поляроиды Для создания плоскополяризованного света также используется явление дихроизма, т. е. поглощение одного из лучей («о» или «е») при прохождении света через определенные кристаллы. Сильным дихроизмом обладают: турмалин (сложный природный минерал) - «о»-луч в нем практически полностью поглощается на длине L ≈ 1 мм; сульфат йодистого хенина - длина поглощения L ≈ 0,1 мм. Существуют дихроические пластинки - поляроиды и пленки, которые называют поляроидными пленками. Некоторые поляроиды могут исполнять роль светофильтров, позволяющих плавно изменять интенсивность проходящего света (эта система из двух и более поляризационных фильтров, работающих в соответствии с законом Малюса). Такой фильтр представляет собой тонкую (до 0,1 мм) целлулоидную пленку, в которую внедрено большое количество одинаково ориентированных кристалликов сульфата йодистого хинина.

Интерференция поляризованных лучей Для интерференции волн необходимы два условия: 1)когерентность волн; 2) одинаковое направление колебаний светового вектора в налагаемых волнах. Когда на одноосный кристалл падает естественный свет, первое условие не соблюдается, т.к. выходящие обыкновенная и необыкновенная волны, в основном, порождаются разными цугами (излучающих атомов), входящими в состав естественного света; поэтому «о» и «е» - лучи некогерентны. Обе волны можно сделать когерентными , если на пути естественного света установить поляризатор перед кристаллической пластинкой, причем так, чтобы плоскость поляризатора составляла угол φ = 45˚ с оптической осью кристалла (будем рассматривать пластинку, вырезанную параллельно оптической оси). Тогда колебания каждого луча разделятся поровну между обыкновенной и необыкновенной волнами, и лучи «о» и «е» - окажутся на выходе пластинки когерентными. Однако такие волны – не интерферируют, а, как известно, дают волну поляризованную по кругу, так как они поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Интерференция поляризованных волн Выполнение второго условия интерференции обеспечивается установкой еще одного поляризатора – анализатора; он сведет ортогональные когерентные колебания векторов Е0 и Ее к одной плоскости, и интерференция будет обеспечена. Результат интерференции поляризованных лучей будет зависеть от их оптической разности хода, которая в случае нормального падения света на кристаллическую пластинку определяется как: , где d - толщина пластинки. Разность фаз налагаемых «о»- и «е»-волн при этом , где λ0 - длина волны в вакууме. В случае, когда (m = 0, 1, 2…) имеем усиление света (максимумы интенсивности).

Интерференция поляризованных лучей Схема эксперимента (когда плоскость первого поляризатора параллельна плоскости второго поляризатора, т.е. ПП1 ∥ ПП2)