Поляризация света при прохождении через поляризатор

Для получения плоско поляризованного света часто используют поляроиды, работа которых основана на явлении двойного лучепреломления света в анизотропных кристаллах. В анизотропных кристаллах диэлектрическая проницаемость различна для разных кристаллографических направлений. А диэлектрическая проницаемость, как известно, определяет показатель преломления диэлектрической среды. В результате показатель преломления луча будет зависеть от ориентации вектора Е относительно кристаллографических направлений кристалла. При некоторой ориентации падающего луча естественного света относительно анизотропного кристалла преломлённые лучи, с взаимно перпендикулярной плоскостью поляризации, выходят из кристалла под различными углами.

Так если естественный луч света направить под прямым углом к поверхности анизотропного кристалла исландского шпата, то он разделяется на два луча (рис. 4). Один луч проходит без преломления, он называется

Рис. 4.

обыкновенным (о) лучом. Второй луч испытывает в кристалле преломление и называется необыкновенным (e). Не вдаваясь в подробности этого явления, заметим, что оба вышедшие из кристалла лучи оказываются плоско поляризованными, причем плоскости поляризации этих лучей взаимно перпендикулярны. На рис. 4 направление поляризации этих лучей условно показано точками и черточками.

Для получения плоско поляризованного света необходимо разделить лучи (о) и (e), вышедшие из кристалла. Один из способов - использовать двоякопреломляющие кристаллы, обладающие свойством дихроизма. Явление дихроизма заключается в сильной зависимости степени поглощения света от ориентации вектора Е относительно кристалла. Например, определённым образом ориентированные кристаллы сернокислого йод-хинина полностью поглощают обыкновенный луч на пути ≈ 0,1 мм, в то время как плоско поляризованный необыкновенный луч почти полностью проходит через кристалл. Если такие кристаллики поместить на пленку из целлулоида, то получится поляроид, а прошедший через поляроид естественный свет становится плоско поляризованным. Плоскость поляризации поляроида ПП определяется ориентацией относительно плёнки двояко преломляющих кристалликов.

 

ЗАКОН МАЛЮСА

Если естественный луч света пропустить через поляризатор, то прошедший свет становится плоско поляризованным, то есть колебания вектора Е световых волн происходят только в одной плоскости, определяемой направлением плоскости поляризации (ПП) света поляроидом. На рис. 5 направление ПП поляроидов обозначено пунктирной линией.

Схематически процесс поляризации естественного света при прохождении через два поляроида показан на рис. 5. Причём первый поляроид, через который проходит свет, называют поляризатором, а второй - анализатором. Пусть с левой стороны рисунка на поляризатор падает естественный луч света интенсивностью J₀. Поляризатор полностью пропускает только те лучи, вектор Е которых колеблется в плоскости ПП и не пропускает лучи, вектор Е которых направлен перпендикулярно плоскости ПП. Если вектор Е ориентирован

произвольно, то поляризатор пропускает проекцию вектора Е на направление ПП поляризатора. В результате естественный свет после прохождения поляризатора становится плоско поляризованным в направлении ПП. При этом интенсивность прошедшего через поляризатор света равна: J₁ = J₀/2, где J₀ - интенсивность падающего естественного света.

Если на пути луча, прошедшего через анализатор поставить ещё один такой же поляризатор, который называют анализатором, то амплитуда и направление плоскости поляризации прошедшего через анализатор луча будет определяться углом j, то есть углом между ПП анализатора и поляризатора (см. рис. 5). Очевидно что, если плоскости ПП поляризатора и анализатора - параллельны (j = 0), то луч плоско-поляризованного света приходит через анализатор полностью (рис. 5). Если анализатор повернуть на угол j относительно ПП поляризатора, то интенсивность света после анализатора уменьшится, так как анализатор пропускать лишь проекцию вектора Е₁ на направление ПП анализатора (Е₂ = Е₁×cos j). Поскольку интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды вектора Е, то J₂ = J₁cos²j.

Таким образом, если плоско поляризованный свет интенсивности J ₀ падает на анализатор А так, что плоскость колебаний вектора Е составляет угол j с плоскостью ПП анализатора, то интенсивность прошедшего через анализатор светаJ₂ равна:

J₂ = J₁ cos ²j (2)

Это соотношение носит название закона Малюса.

 

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Фотография установки для проверки закона Малюса приведена на рис. 6.

Интенсивность света, прошедшего через анализатор и поляризатор измеряется (в условных единицах) с помощью фотоэлемента, соединённого с микроамперметром.

 

Рис. 6

 

 

На оптической скамье установлен осветитель 1, собирающая линза 2, поляризатор 3, анализатор 4 и фотоэлемент 5, соединенный с микроамперметром. Анализатор снабжён указателем и шкалой, с помощью которых можно определить угол между плоскостями ПП анализатора и поляризатора.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Включить осветитель в сеть, снять защитную крышку с фотоэлемента.

2. Вращением анализатора установить указатель на нуль шкалы.

3. Вращая поляризатор, добиться максимального отклонения стрелки микроамперметра.

4. Это максимальное показание микроамперметра записать в таблицу в графу J₀.

5. Поворачивая анализатор, через каждые 20 градусов, а также на 90 и 270⁰, записать в таблицу 1 значения φ и соответствующие показания микроамперметра. По окончанию измерений выключить осветитель из сети и закрыть фотоэлемент защитной крышкой.

Таблица 1

№ опыта	j, град.	I0, мкА	I, мкА	I / I0	сos j	сos2 j
....	….
…	…
…	…

 

6. Построить график экспериментальной зависимости I/I ₀= f(j), пропорциональной зависимости J₂ = J₁cos² j, учитывая, что, на оси абсцисс откладывают значения j.

7. На этом же графике построить теоретическую зависимость J₂ = J₁cos² j по закону Малюса в виде функции cos² j = f(j). Графики строить на компьютере в программе Microsoft Excel (Таблицы Excel) или в другой графической программе.

8. Сравнить экспериментальную и теоретическую зависимости J/J ₀= f(j) и сделать вывод об их соответствии.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дать чертёж и рассказать о строении одиночной электромагнитной волны.

2. Чем отличается естественный свет от плоско поляризованного?

3. Какими способами можно получить плоско поляризованный свет?

4. На каких принципах основана работа поляризатора.

5. Рассказать о законе Брюстера.

6. В чем состоит сущность закона Малюса?

ЛИТЕ РАТУРА

1. Савельев И.В. Курс общей физики, т.3, 1987.

2. Грабовский Р.И. Курс физики, 1980.

3. Трофимова Т.И. Курс физики, 2000.

 

Приложение 1

Образец отчёта

 

 

ФГОУ ВПО

ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

 

КАФЕДРА ФИЗИКИ

 

ОТЧЕТ

 

По лабораторной работе № 19