ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА. ЗАКОН МАЛЮСА

Явление поляризации света характеризуется определенной ориентацией магнитного и электрического векторов световой волны в пространстве. Векторы напряженностей электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости v распространения волны (перпендикулярно лучу). Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточ-

а) б) в)

Рисунок 1

но знать поведение 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 (рисунок 1,а; луч перпендикулярен плоскости рисунка). 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 (и, следовательно, ) называется естественным.

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

Рисунок 2

Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя так называемые поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направления (например, пропускающие колебания, параллельные плоскости поляризации, и полностью задерживающие колебания, перпендикулярные этой плоскости). В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в отношении колебаний вектора , например, кристаллы. В частности, плоскополяризованный свет можно получить за счет явления дихро- изма, т.е. различного поглощения света в зависимости от ориентации электрического вектора световой волны (примером сильно дихроичного кристалла является турмалин). Большинство кристаллов, не обладающих кубической симметрией, при пропускании через них света, разделяют световой пучок на два луча, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рисунок 2). Это явление получило название явления двойного лучепреломления. Один пучок, который подчиняется законам преломления света, называется обыкновенным (о), другой, пространственно смещенный по отношению к первому, который в общем случае не подчиняется классическим законам преломления, называется необыкновенным (е).

Направление в оптически анизотропном кристалле, по которому луч света распространяется, не испытывая двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось и световой луч, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла. Колебания, перпендикулярные главному сечению обозначены точками, а колебания, параллельные главной плоскости кристалла изображены двусторонними стрелками.

Типичным представителем поляризационных приборов является призма Николя, называемая часто николем. Призма Николя (рисунок 3) представляет собой двойную призму из исландского шпата, склеенную вдоль линии АВ специальным клеем - канадским бальзамом с показателем преломления n.

Рисунок 3

Обыкновенный луч (о) на границе АВ испытывает полное внутреннее отражение и поглощается зачерненной боковой поверхностью СВ. Необыкновенный плоскополяризованный луч (е) выходит, несколько сместившись, параллельно падающему лучу (n_e< n < n_o).

Поляризаторы пропускают колебания, параллельные плоскости пропускания поляризатора, и полностью задерживают колебания, перпендикулярные к ней.

Если на поляризатор падает плоскополяризованный свет амплитуды Е­_о­, то через него пройдет составляющая колебания с амплитудой Е = Е_о cos j, где j - угол между плоскостью поляризации и плоскостью пропускания поляризатора. Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды ( I ~ E² ), то интенсивность света, прошедшего через поляризатор, равна

I = I_o cos ² j (1)

Рисунок 4

4. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1. Лазерный излучатель.

2. Первый поляризатор.

3. Второй поляризатор.

4. Экран.

5. Фотоэлемент.

6. Измерительный прибор.

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать схему, изображенную на рисунке 4. Установить лазерный излучатель 1.

2. Белые точки, нанесенные на оправах первого и второго поляризаторов установить напротив нулевого деления шкалы.

3. Включить лазер и откорректировать его положение так, чтобы его луч попадал в отверстие фотоэлемента 5, а прибор 6 показывал максимальное значение измеряемого фототока.

4. Установить на измерительном устройстве 5 белый экран и вращая одновременно первый и второй поляризаторы (2 и 3) убедиться в том, что яркость лазерного луча на экране изменяется. Сделать вывод о степени поляризации лазерного излучения.

5. Снять экран, установить оба поляризатора в исходное положение (см. пункт 2) и убедиться в том, что лазерный луч достигает фотоэлемента. При этом показание измерительного прибора должно быть максимально.

6. Занести максимальное значение фототока в таблицу 1 в столбец с j = 0°.

Таблица 1

7. Изменяя угол поворота первого поляризатора на Dj = 10°, в диапазоне от 0° до 180°, занести соответствующие показания в таблицу 1.

8. Используя результаты таблицы 1, построить график I = ¦ (cos ² j) изменения фототока от косинуса квадрата угла поворота поляризатора.

7. Сделать выводы о соответствии полученных результатов закону Малюса.