Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 27
по фізиці на тему: Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль Поляризація світла 1. Властивості електромагнітних хвиль 2. Поляризація світла. Види поляризованого світла 3. Поляризатори. Закон Малюса 4. Явище подвійного променезаломлення 5. Хвилеві поверхні 6. Побудова Гюйгенса 7. Пластинки Експериментальна частина 1. Установка 2. Вимірювання Література Електромагнітною хвилею називається змінне електромагнітне поле, що розповсюджується в просторі. Електромагнітна хвиля характеризується векторами напруженості Можливість існування електромагнітних хвиль обумовлена тим, що існує зв'язок між змінними електричним і магнітним полями. Змінне магнітне поле створює вихрове електричне поле. Існує і зворотне явище: змінне в часі електричне поле породжує вихрове магнітне поле. Електромагнітні хвилі залежно від довжини хвилі Не дивлячись на те, що властивості електромагнітних хвиль різних діапазонів можуть різко відрізнятися один від одного, всі вони мають єдину хвилеву природу і описуються системою рівнянь Максвела. Величини де Электромагнитные волны являются поперечными волнами, т.е. колебания векторов напряженности Мал. 1 На мал. 2 показаний розподіл векторів Мал. 2 З формули (1) виходить, що вектора Грунтуючись на тому, що електромагнітна хвиля є поперечною, можливе спостереження явищ, пов'язаних з певною орієнтацією векторів Для опису закономірностей поляризації світла досить знати поведінку лише одного з векторів, що характеризують електромагнітну хвилю. Зазвичай всі міркування ведуться щодо світлового вектора-вектора напруженості Світлом є сумарне електромагнітне випромінювання безлічі атомів. Атоми ж випромінюють світлові хвилі незалежно один від одного, тому світлова хвиля, що випромінюється тілом в цілому, характеризується всілякими рівноімовірними коливаннями світлового вектора (мал. 3, а; промінь перпендикулярний площині малюнка). Мал. 3 В даному випадку рівномірний розподіл векторів Світло, в якому напрями коливань світлового вектора якимсь чином впорядковані, називається поляризованим. Так, якщо в результаті яких-небудь зовнішніх дій з'являється переважний (але не виняткове) напрям коливань вектора Площина, що проходить через напрям коливань світлового вектора плоско поляризованої хвилі і напрям розповсюдження цієї хвилі, називається площиною поляризації. Плоско поляризоване світло є граничним випадком еліптично поляризованого світла-світла, для якого вектор Мал. 4 Якщо еліпс поляризації вироджується в пряму (при різниці фаз Природне світло можна перетворити в плоско поляризований, використовуючи так звані поляризатори, проникні коливання тільки певного напряму (наприклад, проникні коливання, паралельні головній площині поляризатора, і повністю затримуючі коливання, перпендикулярні цій площині). Як поляризатори можуть бути використані середовища, анізотропні відносно коливань вектора Такою ж властивістю володіють поляроїди, зручніші в обігу. Вони є штучно приготованими колоїдними плівками, службовці для отримання поляризованого світла. Поляроїд, подібно до турмаліну, діє, як один кристал і поглинає світлові коливання, електричний вектор яких перпендикулярний до оптичної осі. Явище поляризації світла має місце і при віддзеркаленні або заломленні світла на межі двох ізотропних діелектриків. Цей спосіб поляризації був відкритий Малюсом, який випадково відмітив, що при поверненні кристала навколо світла, відбитого від скла, інтенсивність світла періодично зростає і зменшується, тобто віддзеркалення від скла діє на світло подібно до проходження через турмалін. Правда, при цьому не відбувалося повного згасання світла при деяких певних положеннях кристала, а спостерігалося лише його посилення і ослаблення. Існують і інші способи отримання поляризованого світла. Отже, всякий прилад, службовець, для отримання поляризованого світла називається поляризатором. Той же прилад, вживаний для дослідження поляризації світла, називається аналізатором. Допустимо, що два кристали турмаліну або два поляроїди поставлено один за одним, так що їх осі Первый поляроид пропустит свет, электрический вектор ( Составляющая Отношение интенсивностей пропорционально отношению квадратов амплитуд: і, отже Це співвідношення має назву закон Малюса: Інтенсивність світла, що пройшло через аналізатор Закон був сформульований Малюсом в 1810 році і підтверджений ретельними фотометричними вимірюваннями Араго. Фундаментальною властивістю світлових променів при їх проходженні в кристалах є подвійне променезаломлення, відкрите в 1670 році Бартоліном і детально досліджене Гюйгенсом, що опублікував в 1690 році свій знаменитий “Трактат про світло, в якому викладені причини того, що відбувається при віддзеркаленні і заломленні і, зокрема, при незвичайному заломленні в кристалах з Ісландії.” Явище подвійного променезаломлення пояснюється особливостями розповсюдження світла в анізотропних середовищах. Якщо на кристал ісландського шпату направити вузький пучок світла, то з кристала вийдуть два просторово розділених світивши, паралельних один одному і падаючому променю. Мал. 6 Навіть у тому випадку, коли первинний пучок світла падає на кристал нормально, заломлений пучок розділяється на два, причому один з них є продовженням первинного, а другою відхиляється. З часів Гюйгенса перший промінь отримав назву звичайного ( Напрям в кристалі, по якому промінь світла розповсюджується не випробовуючи подвійного променезаломлення, називається оптичною віссю кристала. А площина, що проходить через напрям променя світла і оптичну вісь кристала, називається головною площиною (головним перетином) кристала. Аналіз поляризації світла показує, що на виході з кристала промені виявляються лінійно поляризованими у взаємно перпендикулярних площинах. Роздвоєння світла в кристалі завжди відбувається в головній площині. Оскільки при обертанні кристала навколо падаючого променя головна площина повертається в просторі, то одночасно повертається і незвичайний промінь. Розглянемо деякі найбільш прості випадки розповсюдження світла в кристалі. Мал. 7 1. Якщо промінь 2. Якщо промінь 3. Якщо промінь Промінь, що має електричний вектор, перпендикулярний оптичній осі, у всіх цих випадках знаходиться в однакових умовах, так що закони його розповсюдження не повинні залежати від напряму розповсюдження; це і є звичайний промінь, що підкоряється звичайним законам заломлення. Другий же, незвичайний промінь у всіх трьох випадках знаходиться в різних умовах (оптичні властивості кристала неізотропні), а тому і умови розповсюдження можуть ускладнюватися ( Неоднакове заломлення звичайного і незвичайного променів указує на відмінність для них показників заломлення. Очевидно, що при будь-якому напрямі звичайного променя коливання світлового вектора перпендикулярні оптичній осі кристала, тому звичайний промінь розповсюджується по всіх напрямах з однаковою швидкістю і, отже, показник заломлення Таким образом, обыкновенные лучи распространяются в кристалле по всем направлениям с одинаковой скоростью Допустимо, що в крапці На рис. 8 показано распространение обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле (главная плоскость совпадает с плоскостью чертежа, Великою заслугою Гюйгенса є створення стрункої теорії проходження світлової хвилі через кристал, що пояснює виникнення подвійного променезаломлення. Застосований ним метод простий і наочний, а як спосіб визначення напряму звичайного і незвичайного променів зберіг своє значення і до цього дня. У основі пояснення подвійного променезаломлення лежить принцип Гюйгенса, в якому постулируется, що кожна крапка, до якої доходить світлове збудження, може розглядатися як центр відповідних вторинних хвиль. Для визначення хвилевого фронту хвилі, що розповсюджується, в подальші моменти часу слід побудувати що огинає цих вторинних хвиль. Як приклад побудови звичайного і незвичайного променів розглянемо заломлення плоскої хвилі на межі анізотропного середовища, наприклад позитивного (мал. 9). Оптична вісь позитивного кристала лежить в площині падіння під кутом до заломлюючої грані кристала. Паралельний пучок світла падає під кутом до поверхні кристала. Мал. 9 За время, в течение которого правый край фронта З побудови можна зробити очевидні висновки: 1. У кристалі відбувається подвійне променезаломлення. Побудови Гюйгенса дозволяє визначити напрями розповсюдження звичайного і незвичайного променів. 2. Напрям незвичайного променя і напрям нормалі до відповідного хвилевого фронту не співпадають. Розглянемо дві когерентні плоско поляризовані хвилі світлові хвилі, площини коливань яких взаємно перпендикулярні. Хай коливання в одній хвилі здійснюються уздовж осі мал. 10 Проекції світлових векторів цих хвиль на відповідні осі змінюються згідно із законом: Як відомо, два взаємно перпендикулярних гармонійних коливання однакової частоти при складанні дають в загальному випадку рух по еліпсу. Аналогічно, крапка з координатами (2) рухається по еліпсу. Отже, дві когерентні плоско поляризовані хвилі, площини коливань яких взаємно перпендикулярні, при накладенні один на одного дають хвилю, в якій вектор Розглянемо, що виходить при накладенні тих, що вийшли з кристалічної пластинки звичайного і незвичайного променів. При нормальному падінні світла на паралельну оптичній осі грань кристала (мал. 11) звичайний і незвичайний промені розповсюджуються не розділяючись, але з різною швидкістю. У зв'язку з цим між ними виникає різниця ходу де Мал. 11 Таким чином, якщо пропустити природне світло через вирізану паралельно оптичній осі кристалічну пластинку товщини Вирізана паралельно оптичній осі пластинка, для якої називається пластинкою в чверть хвилі; пластинка, для якої називається пластинкою в півхвилі. Розглянемо плоско поляризоване світло через пластинку в чверть хвилі. Якщо розташувати пластинку так, щоб кут Установка складається з клістронного генератора, випромінюючого плоско поляризовану електромагнітну хвилю з Мал. 12. При відстані між рупорами Мал. 13. При відстані між рупорами Мал. 14. У попередніх двох випадках деревини між рупорами не було. При відстані між рупорами мал. 15. 1. Першинзон Е.М., Малов Н.Н., Еткин В.С. «Курс загальної фізики. Оптика і атомна фізика.» Москва, Освіта, 1981. 2. Ландсберг Г.С. «Оптика.» Москва, Наука, 1976. 3. Міхайліченко Ю.П. «Подвійне променезаломлення сантиметрових електромагнітних хвиль. Методичні вказівки.» Томськ, 1986.
|