Скачиваний:   2
Пользователь:   ivanstudent
Добавлен:   24.12.2014
Размер:   500.0 КБ
СКАЧАТЬ

4. ПОЛЯРИЗАЦИЯ  СВЕТА

 

     4.1. Введение

    Свет является потоком электромагнитных волн (ЭМВ).  В поле ЭМВ возмущения среды в виде переменных электрического и магнитного полей  перпендикулярны к направлению распространения волн, поэтому ЭМВ являются  поперечными волнами. Световой поток представляет совокупность большого числа элементарных  волн, каждая со своим направлением  светового вектора.

    Свойства каждой элементарной волны зависят от механизма её возникновения и от взаимодействия со средой распространения. Эти факторы влияют на то, как  - равновероятно или неравноправно  - возникают и сохраняются по мере распространения волны электромагнитные возмущения среды. Фундаментальное свойство оптического излучения, состоящее в неравноправии различных направлений возмущений в плоскости,  перпендикулярной световому лучу, называют  поляризацией света. Признаком поляризованности света является наличие преимущественного направления колебаний светового вектора  в поперечном сечении светового потока (рис. 4.1). 

 

             S31-39

 

    4.2. Естественный и поляризованный свет

   Моделью излучателя элементарной ЭМВ может служить периодически колеблющийся диполь - система двух разноимённых зарядов, движущихся вдоль линии, соединяющей центры зарядов, называемой осью диполя. В поле линейно колеблющегося диполя линии вектора напряжённости Е расположены в плоскостях, сопряжённых с осью диполя, а линии вектора Н - в плоскостях, перпендикулярных к оси диполя. Для полного описания состояния поляризованного света достаточно знать поведение одного из  векторов, и обычно для этой цели выбирают вектор Е, называя его световым вектором. Плоскость, включающая в себя световой вектор  и направление светового луча является плоскостью колебаний светового вектора Е (ПК). Плоскость, перпендикулярную плоскости колебаний Е и также включающую направление луча, называют плоскостью поляризации (ПП) (рис.  4.2).

 

                         S31-39

                                                        Рис. 4.2

 

     Если положения ПК и ПП по ходу луча при его распространении в однородной среде остаются неизменными и единственными, то свет является  линейно поляризованным. Волновой цуг единичного излучатель-ного акта полностью линейно поляризован. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа излучателей - атомов и молекул-,  пространственная ориентация которых разнообразна. Поэтому в общем излучении направление суммарного светового вектора ЕS непрерывно и беспорядочно меняется. Подобное излучение называют неполяризованным или естественным светом (рис. 4.1,а).

     Световой вектор ЕS естественного луча, как бы он ни изменял направление и модуль, можно представить как сумму двух взаимноперпендикулярных составляющих векторов (рис. 4.3):

 

                             S31-39S31-39

                                                         Рис. 4.3

Это означает, что естественный свет - суперпозиция (независимое сложе-ние) двух линейнополяризованных потоков с перпендикулярными ПК. Равновероятность направлений хаотически изменяющенгося вектора ЕS предполагает, что в среднем во времени амплитуды составляющих Еx0  и Ey0  одинаковы, и справедливо соотношение:

           (ЕSo)2 = (Exo)2 + (Eyo)2 = 2 (Exo)2 = 2 (Eyo)2.                                        (4.1)

Как упоминалось выше, интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды возмущений, поэтому (3.1) преобразуется в:

                    J ~ E2;  J =Jx + Jy;   Jx = Jy = J/2.                                       (4.2)

 

      4.3. Поляроид и степень поляризации

     Устройства, преобразующие естественный световой поток в линейнополяризованный свет, называются поляризаторами или поляроидами.  Поляроиды, как правило, пропускают один из двух линейнополяризованных потоков, составляющих естественный свет, и задерживают (поглощают, устраняют, отводят в сторону) другой.

S31-39

     Плоскость, в которой колеблется световой вектор выходящего из поляроида линейнополяризованного потока, называют оптической плос-

                                                     Рис. 4.4

 

костью поляроида (ОПП).  На рис. 4.4   изображены   два   поляроида с

одинаковой ориентацией ОПП. На выходе первого поляроида интенсивность потока равна половине интенсивности вошедшего естественного света, а на выходе второго световой вектор не претерпел изменений, а интенсивность осталась равной половине интенсивности естественного света на входе в первый поляроид.

    Реальные поляроиды всё же пропускают отчасти и составляющую потока,   световой  вектор которой   перпендикулярен их ОПП. Поэтому из

поляроида выходит свет, в котором колебания светового вектора одного направления преобладают над колебаниями перпендикулярного направ-

ления (рис. 4.5). Такой свет называют частично поляризованным. Его

отличие  от естественного света  состоит  в неодинаковости  Ех¢ и  Еу¢,  а,

 

                                        S31-39

                                                         Рис. 4.5

 

значит, Jx и Jу: вдоль ОПП световой вектор колеблется с максимальной амплитудой, и соответствующая ему часть потока имеет максимальную интенсивность  Jmax.  В  перпендикулярном направлении Ех   ослабляется

наиболее сильно, так что другая часть потока имеет минимальную интенсивность.

    Показателем “качества” частично поляризованного света или мерой  его поляризованности  должна быть величина, пропорциональная разности между Jmax и  Jmin. Чтобы эта величина была безразмерной, разность относят к суммарной интенсивности выходящего из поляроида светового потока:

                                       S31-39                                             (4.3)

Величину p называют степенью поляризации света. Для идеально линейнополяризованного света Jmin =0 и p=1, а естественный свет при равенстве составляющих интенсивности имеет нулевую степень поляризации. Частично поляризованный свет имеет промежуточное между 0 и 1 значение степени поляризации.

 

     4.3.1. Задача

    Во сколько раз отличаются составляющие светового вектора частично поляризованного потока со степенью поляризации, равной 0,5 ?

   Решение.

 Итак, требуется найти  Emax/Emin.  Согласно выражения (4.2)

                                             S31-39

В выражении (4.3) разделим числитель и знаменатель на Jmin :

                                     S31-39

Отсюда S31-39

 

        4.4. Закон Малюса

        4.4.1.  Явление Малюса

     При падении линейнополяризованного света на поляроид в общем случае плоскость колебаний светового вектора может не совпадать с оптической плоскостью этого поляроида. В этом случае на выходе поляроида интенсивность светового потока понизится, а при некоторых углах между ПК падающего потока и ОПП может исчезнуть совершенно. Это явление названо именем учёного Малюса и может быть объяснено следующим образом.

     Световой вектор линейнополяризованного света, падающего на поляроид, представляем суммой векторов, один из которых колеблется в ОПП и является проекцией светового вектора на ОПП (рис. 4.6).

 

 

S31-39                                   S31-39

                                                      Рис. 4.6

 

Световой вектор Ех¢ соответствует задерживаемой в поляроиде части светового потока. На выходе из поляроида интенсивность света, согласно выражению связи Е и J (4.2):

                    Jy¢ ~ (Ey¢)2 ~ (Ey)2 cos2j ;   Jy¢=Jy cos2j.                                   (4.4)

В частности, при  j=p/2  Jy¢=0, что используется для установления факта линейной поляризованности светового потока:  вращая “проверочный” поляроид - анализатор - вокруг луча как оси, наблюдают изменение  освещённости экрана или поля зрения. Если в каком-либо положении анализатора будет затемнение, значит, входящий в этот поляроид световой поток по крайней мере частично линейно поляризован.

   Соотношение (4.8) является математической формулировкой закона Малюса - закона изменения интенсивности поляризованного света, прошедшего сквозь анализатор.

 

   4.4.2.  Задача

   Оптическая плоскость анализатора повёрнута относительно оптической плоскости поляризатора на некоторый угол jо. Повернув ана-лизатор из этого положения ещё на 30о, уменьшили тем самым  интен-

сивность проходящего светового потока ещё в 4 раза. Определить  jо.

        Решение. 

 Начальная интенсивность света на выходе анализатора Jвых.0, согласно (4.4), связана с интенсивностью входящего в анализатор потока:  Jвых.0 =Jвх.соs2j . Для нового положения анализатора:

               Jвых.¢= Jвх.cos2(jo+30o)=0,25Jвых.=0,25Jвх.cos2jo.

Сокращая уравнение на Jвх., получаем тригонометрическое уравнение:                    4 cos2 (jо+30о) = cos2 jо ,     откуда

                                          jо = arctg (S31-39-1) » 33o.

 

    4.5. Поляризация при двойном лучепреломлении

    4.5.1. О поляризации вещества

    Молекулы некоторых кристаллических веществ имеют такую упаковку в кристалле, что составляющие их заряды имеют неодинаковую возможность смещаться вдоль вектора напряжённости внешнего электри-ческого поля. Так как заряды молекулы во внешнем поле образуют диполи ( у некоторых веществ - полярных диэлектриков - молекулы являются диполями и в отсутствие внешнего поля), то происходит ориентация молекул - диполей так, что векторы дипольных моментов располагаются вдоль линий вектора напряжённости поля.

    На рис. 4.7 схематически изображена дипольная структура диэлектри-ка с упорядоченно расположенными молекулами в виде эллипсов  (а).

 

                 S31-39

                                                         Рис. 4.7

 

Если  вектор напряжённости электрического поля в диэлектрике Ед совпадает с направлением (Ех) относительно большей свободы движения зарядов диполей  (б), то дипольные моменты (px) молекул приобретают в переменном поле электромагнитных волн, чем и является свет,  большую амплитуду. А если же Ед направлен по-другому (Еу, в), то заряды диполей сильнее ограничены в движениях, и дипольные моменты (py) имеют меньшие значения.

     Суммарный дипольный момент единицы объёма вещества, называемый вектором поляризации Р, определяет диэлектрическую восприимчивость диэлектрика k, а вместе с ней и его диэлектрическую проницаемость e :   Р=keоЕд=(e-1)eоЕд.  Таким образом, вещество имеет разную  диэлектрическую проницаемость при той или иной ориентации светового вектора, определяющего  электрическое поле в диэлектрике. В большинстве немагнитных веществ  абсолютный показатель преломления n связан с  e  соотношением:

                                               n=S31-39                                                          (4.5)

Нетрудно заключить, что линейнополяризованные лучи, световые векторы которых имеют разную ориентацию по отношению к кристаллической решётке вещества, преломляются под разными углами.

 

     4.5.2. Двойное преломление

    Поток естественного света -  наложение (суперпозиция) двух линейнополяризованных потоков со взаимно перпендикулярными световыми векторами Ех и Еу. Один из векторов может быть сонаправлен с большей осью молекул-диполей ( на рис. 4.8 это Ех), а другой с меньшей осью. Лучи преломляются согласно закона Снеллиуса (“закона преломления”) под разными углами b1 и b2 при одном и том же угле падения a:

                              S31-39      S31-39                                (4.6)                             S31-39

                                                    

                                                              Рис.4.8

 

Таким образом, происходит пространственное разделение естественного света на два линейнополяризованных луча (показаны пунктиром) со взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний световых векторов. Этот эффект называют явлением двойного лучепреломления, а кристаллы, обнаруживающие это явление  - двоякопреломляющими.

    Расположение осей диполей в узлах кристаллической решётки может быть таким, что поток, нормально падающий на поверхность вещества, разделяется на два луча, один из которых не соответствует закону Снеллиуса - преломляется не по перпендикуляру (рис. 4.9). Такой луч называ-

 

                                 S31-39                                              

 

                                                     Рис. 4.9

 

ют необыкновенным, в противоположность другому, обыкновенному лучу. На рисунке стрелками показано относительное расположение Ех и Еу  в поперечных сечениях лучей.

 

     4.5.3. Призма Николя

    Явление двойного лучепреломления используется в поляризационном приборе, называемом  призмой Николя, или просто - николем. Николь (рис. 4.10)  склеен  из двух  клинообразных   двоякопреломляющих   кри-

  S31-39

 

 

                                                     Рис. 4.10

 

сталлов,  например,  исландского  шпата  специальным  клеем - канадским  бальзамом. Углы клиньев и расположение кристаллической решётки относительно входящего в николь  потока естественного света подбираются такими, чтобы необыкновенный луч (НЛ) проходил сквозь прибор, практически не преломляясь.

    Обыкновенный луч (ОЛ) преломляется на входной грани николя под меньшим углом b1 , на прослойку бальзама падает под углом, превосходящим угол полного внутреннего отражения для сред  шпат - бальзам. Здесь ОЛ отражается на зачернённую боковую грань николя, т.е. уводится в сорону от проходящего светового потока, в котором остаётся линейнополяризованный необыкновенный луч.

 

4.5.4. Наведённая анизотропия

Оптическую анизотропию можно создать искусственно даже в аморфных прозрачных веществах, которые в обычном состоянии этим свойством не обладают. Например, стекло, подвергаемое сжатию, изгибу, растяжению, приобретает свойства двоякопреломляющего кристалла и изменяет степень поляризации проходящего сквозь него света. Это происходит потому, что в направлении сжатия заряды молекулярных диполей сближены и тем самым ограничиваются в движении; и наоборот - в направлении растяжения расстояния между молекулами увеличены, чем обеспечивается колебание зарядов с большей амплитудой.

Возникновение поляризующей способности у прозрачных деформированных веществ, называемое наведённой анизотропией, используется при исследованиях механической нагруженности ответственных узлов аппаратов, установок, конструкций. Используется при этом явление интерференции поляризованного света, существо которого изложено в п.п. 4.8. Изготавливается из прозрачного материала (например, из плексигласа) увеличенная или уменьшенная копия исследуемого узла, копия подвергается характерным для оригинала нагрузкам и одновременно просвечивается линейнополяризованным светом. На экран проецируется картина напряжений в виде чередования цветных полос, если поляризованный свет - белый, или  светлых и тёмных полос, если свет - монохроматический.

Двоякопреломляющие свойства диэлектрик приобретает в сильном постоянном внешнем электрическом поле. Молекулярные диполи вещества ориентируются в направлении силовых линий поля и приобретают упорядоченную структуру, подобно кристаллу с анизотропными свойствами. Явление возникновения двоякопреломляющих свойств у веществ в электрическом поле носит название  эффекта Керра.

 

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика