Получаване и изследване на поляризирана светлина
препис
1 Получаване и изследване на поляризирана светлина. Цел на работата: да се изследва явлението поляризация на светлината. Задачи за решаване: - получаване на линейно поляризирана светлина; - наблюдават промените в интензитета на светлината в зависимост от ъгъла между осите на поляризатора и анализатора; - проверка на валидността на закона Малус; - наблюдавайте преминаването на плоска поляризирана светлина през кристална пластина, изрязана от едноосен кристал, успореден на оптичната му ос; - определя вида на поляризацията на светлината в зависимост от дебелината на плочата и ъгъла между посоката на трептене на електрическия вектор в поляризирана светлина, падаща върху плочата, и оста на плочата. Помислете за преминаването на линейно поляризирана светлина през кристал. Светлина с определена дължина на вълната, преминаваща през поляризатор, ще бъде насочена нормално към кристална плоча, изрязана от едноосен кристал, успореден на неговата оптична ос. Вътре в кристала два лъча ще се разпространяват в една посока, но с различни скорости, поляризирани в две взаимно перпендикулярни посоки, които обикновено се наричат главни посоки (- и -) на кристалната плоча. Ако пътят на лъчите в кристала е равен на l, тогава оптичната разлика в пътя, възникваща по този път, е равна на l no ne и фазовата разлика, съответстваща на тази разлика в пътя, ще бъде равна на: 2 2 l no ne. На изхода от кристала трептенията на вектора Е представляват сумата от две взаимно перпендикулярни трептения със същата честота с фазова разлика. Ако погледнете към лъча, тогава краят на получения вектор E се върти непрекъснато, плъзгайки се по елипсата. На фиг. 1 показва диаграма на такава елиптично поляризирана вълна, разпространяваща се по посока на оста OX. Формата на елипсата и нейната относителна ориентацияоси (оптичната ос и перпендикулярното на нея направление) зависят от разликата в пътя на нагъващите се вълни. Елиптична поляризация е най-общата форма на напречна вълнова поляризация. Частни случаи на елиптична поляризация са: линейна, когато дължината на една от осите на елипсата е нула, и циркулярна (кръгова), когато осите на елипсата са еднакви.
2 Фиг. 1. Елиптично поляризирана вълна. Анизотропна плоча, при преминаването на която разликата между оптичните пътища на обикновените и необичайните вълни е: l no ne m 1 4, където m = 0, 1, 2. се нарича четвърт вълнова плоча. Ако линейно поляризирана светлина пада нормално върху такава плоча, тогава светлината, излизаща от нея, обикновено ще бъде елиптично поляризирана. Осите на елипсата ще бъдат успоредни на главните посоки на плочата. Ако равнината на поляризация на лъча, падащ върху плочата, разполовява ъгъла между главните посоки, тогава светлината, напускаща плочата в четвърт вълна, ще бъде поляризирана в кръг. Кристална плоча, която въвежда разлика в пътя между обикновените и извънредните лъчи: l no ne m 1 2, където m = 0, 1, 2. се нарича полувълнова или полувълнова плоча. На изхода от такава плоча обикновените и необикновените лъчи, като се сумират, отново дават линейно поляризирана светлина, но нейната равнина на поляризация ще бъде завъртяна под ъгъл 2 - ъгълът между равнината на колебания на вектора E в падащата вълна и оста на плочата). Основната цел на тази работа е запознаване с методите за получаване на светлина с различни видове поляризация и с методите за изследване на състоянието на поляризация на светлинен лъч. Четвърт вълновите и полувълновите пластини са такива само за определена дължина на вълната на светлината. За вълновите пластини, които се използват в тази работа, е необходимо да се използватжълта светлина. Оптични елементи и оборудване: оптична пейка (1); осветител (халогенна лампа в корпуса) (2) и захранване (3);
3 държач и стъклен филтър (4); поляроиден поляризатор (5) и анализатор (6); четвърт вълнова плоча (7); полувълнова плоча (8); цифрово-аналогов мултиметър (9); селенова фотоклетка (10); универсални скоби (11); филтър за жълта светлина (включен в комплекта и монтиран в държач 4). Фиг. 1. Общ изглед на инсталацията Фиг. 2. Отделни части на инсталацията
4 Работен ред: Упражнение 1. Проверка на закона Малус. 1. Отстранете четвъртвълновите и полувълновите пластини от оптичната пейка (те ще се използват в следващите упражнения). Включете халогенната лампа. 2. Инсталирайте полароидите в скобите на еднаква височина, така че лъчът светлина от халогенната лампа, преминаващ през тях, да пада върху селеновата фотоклетка. 3. Настройте поляризатора на 90 0 и завъртете анализатора така, че интензитетът на светлината, преминаваща през системата, да е максимален. 4. Последователно завъртане на анализатора (6, фиг. 1) със стъпка от 5-10 o, измервайте фотоволтажа за всяка ориентация на анализатора. Извършете тези измервания, за да включите анализатора към неизбежния фон (шум) на сигнала, причинен от външно осветление, коригирайте, като извадите от всички получени стойности на фотонапрежението стойността на I min - стойността на минималния интензитет. 6. Нанесете върху координатната мрежа зависимостта на I I max (където I е стойността на фотонапрежението при даден ъгъл на въртене на анализатора, а I max е максималната стойност на фотонапрежението) от ъгъла между равнините на поляризатора и анализатора. 7. За сравнение с теоретичния закон върху същата координатна мрежа се нанася функцията y Cos 2, където е ъгълът, отчитан от посоката на максималното пропускане на поляризаторите. Упражнение 2. Определяне на оснпосоки на кристалната плоча. 1. Скръстете поляризатора и анализатора (в този случай интензитетът на пропуснатата светлина и съответно фотонапрежението са минимални). Запишете показанията на рамките на поляризатора и анализатора, съответстващи на тази позиция (приблизително поляризатор при 90 0, анализатор при 0 0). 2. Поставете λ/4 кристална плоча между тях. Последователно завъртане на плочата от 0 0 до на стъпки от , измервайте стойността на фотонапрежението във всяка позиция на плочата. 3. Постройте графика на зависимостта на интензитета на светлината (стойността на фотоволтажа) от ъгъла на завъртане на плочата. 4. Намерете от тази графика стойностите на ъглите на ориентация на плочата, при които интензитетът на светлината, предавана през системата, ще бъде минимален. Тези позиции определят основните посоки на кристалната плоча.
5 Упражнение 3. Получаване и изследване на поляризирана светлина с помощта на кристална пластина λ/4. 1. Поставете поляризатор и анализатор между осветителя и фотоклетката. Ориентирайте поляризатора в позиция 0 0 според деленията на неговата рамка. 2. Измерете интензитета на светлината (стойността на фотоволтажа) като функция на позицията на анализатора в рамките на ъгъл φ от 90 0 до на стъпки.Поставете λ/4 пластината върху оптичната маса между поляризатора и анализатора. 4. Измерете интензитета на светлината като функция на позицията на анализатора в ъгъла φ от 90 0 до на стъпки (т.е. повторете стъпка 2) за различни ъгли α на основната посока на кристалната плоча с посоката на предаване на поляризатора (α=0 0, 30 0, 45 0, 60 0). 5. На една координатна мрежа се нанасят графиките на зависимостта на фотонапрежението от положението на анализатора за случаите, когато: а) между поляризатора и анализатора няма пластина λ/4; б) плочата λ/4 е поставена под ъгли α = 0 0, 30 0, 45 0, Упражнение 4. Получаване и изследване на поляризирана светлина сизползвайки кристална плоча λ/2. 1. Поставете плочата λ/2 на оптичната маса между поляризатора и анализатора. 2. Измерете интензитета на светлината като функция на позицията на анализатора в ъгъла φ от 90 0 до на стъпки за различни ъгли α на кристалната плоча (α = 0 0, 30 0, 45 0 ). 3. Нанесете върху една координатна мрежа зависимостта на стойността на фотонапрежението от положението на анализатора за случаите, когато: а) между поляризатора и анализатора няма пластина λ/2 (вземете данните от точка 2 на упражнение 2); б) плочата λ/2 е поставена под ъгли α=0 0, 30 0. Сравнете и обяснете получените резултати в упражнения 2 и 3. Контролни въпроси: 1. Видове поляризация на светлината. 2. Закон на Малус. 3. Явлението двойно пречупване. 4. Конструкция на Хюйгенс за едноосни кристали. 5. Преминаване на линейно поляризирана светлина през кристална пластина. Записва "/2" и "/4". 6. Анализ на поляризирана светлина. 7. Поляризиращи устройства (полароиди, поляризационни и двупречупващи призми). 8. Експериментирайте. Анализ на резултатите от експеримента.
6 Препоръчана литература. 1. Landsberg G.S. Оптика, Изд.6, М., Физматлит, Глави XVI, XVII, XVIII. 2. Сивухин Д.В. Общ курс по физика. v.4. Оптика. Изд.3. М., Физматлит, , Савелиев И.В. Курс по обща физика. Книга 5. М., AST: Астрел, ръководител Бутиков E.I. Оптика. Ed.2, Санкт Петербург, Невски диалект, , Godzhaev N.M. Оптика., М., Висше училище, Глава IX.