Поляризация света для «чайников»: определение, суть явления и сущность
В нашем блоге уже можно найти статьи про преломление, дисперсию и дифракцию света. Теперь пришло время поговорить о том, в чем заключается сущность поляризации света.
В самом общем смысле правильнее говорить о поляризации волн. Поляризация света, как явление, представляет собой частный случай поляризации волны. Ведь свет представляет собой электромагнитное излучение в диапазоне, воспринимаемом глазами человека.
Что такое поляризация света
Поляризация – это характеристика поперечных волн. Она описывает положение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Если этой темы не было на лекциях в университете, то вы, вероятно, спросите: что это за колеблющаяся величина и какому направлению она перпендикулярна?
Как выглядит распространение света, если посмотреть на этот вопрос с точки зрения физики? Как, где и что колеблется, и куда при этом летит?
Электромагнитная волна
Свет – это электромагнитная волна, которая характеризуется векторами напряженности электрического поля E и вектором напряженности магнитного поля Н. Кстати, интересные факты о природе света можно узнать из нашей статьи.
Согласно теории Максвелла, световые волны поперечны. Это значит, что векторы E и H взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны.
Поляризация наблюдается только на поперечных волнах.
Для описания поляризации света достаточно знать положение только одного из векторов. Обычно для этого рассматривается вектор E.
Если направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, свет называется поляризованным.
Возьмем свет на рисунке, который приведен выше. Он, безусловно, поляризован, так как вектор E колеблется в одной плоскости.
Если же вектор E колеблется в разных плоскостях с одинаковой вероятностью, то такой свет называется естественным.
Поляризация света
Поляризация света по определению – это выделение из естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Откуда берется поляризованный свет?
Свет, который мы видим вокруг себя, чаще всего неполяризован. Свет от лампочек, солнечный свет – это свет, в котором вектор напряженности колеблется во всех возможных направлениях. Но если вам по роду деятельности приходится весь день смотреть в ЖК-монитор, знайте: вы видите поляризованный свет.
Естественный, поляризованный и частично поляризованный свет
Чтобы наблюдать явление поляризации света, нужно пропустить естественный свет через анизотропную среду, которая называется поляризатором и «отсекает» ненужные направления колебаний, оставляя какое-то одно.
Анизотропная среда – среда, имеющая разные свойства в зависимости от направления внутри этой среды.
В качестве поляризаторов используются кристаллы. Один из природных кристаллов, часто и давно применяемых в опытах по изучению поляризации света — турмалин.
Еще один способ получения поляризованного света — отражение от диэлектрика. Когда свет падает на границу раздела двух сред, луч разделяется на отраженный и преломленный. При этом лучи являются частично поляризованными, а степень их поляризации зависит от угла падения.
Поляризация отражением
Связь между углом падения и степенью поляризации света выражается законом Брюстера.
Когда свет падает на границу раздела под углом, тангенс которого равняется относительному показателю преломления двух сред, отраженный луч является линейно поляризованным, а преломленный луч поляризован частично с преобладанием колебаний, лежащих в плоскости падения луча.
Линейно поляризованный свет — свет, который поляризован так, что вектор E колеблется только в одной определенной плоскости.
Практическое применение явления поляризации света
Поляризация света – не просто явление, которое интересно изучать. Оно широко применяется на практике.
Пример, с которым знакомы почти все – 3D-кинематограф. Еще один пример – поляризационные очки, в которых не видно бликов солнца на воде, а свет фар встречных машин не слепит водителя. Поляризационные фильтры применяются в фототехнике, а поляризация волн используется для передачи сигналов между антеннами космических аппаратов.
Фото, сделанные с применением поляризационного фильтра и без него
Поляризация — не самое сложное для понимания природное явление. Хотя если копнуть глубоко и начать основательно разбираться с физическими законами, которым она подчиняется, могут возникнуть сложности.
Чтобы не терять время и преодолеть трудности максимально быстро, обратитесь за советом и помощью к нашим авторам. Мы поможем выполнить реферат, лабораторную работу, решить контрольные задания на тему «поляризация света».
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.
Источник
Способ получения эллиптически-поляризованного излучения.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра общей и технической физики
Общая физика
ВОЛНОВАЯ ОПТИКА
Комплексное исследование поляризации световых волн
Методические указания к лабораторной работе
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2017
УДК 535.41/42 + 535.5 (075.80)
Физика. КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТОВЫХ ВОЛН: Методические указания к лабораторной работе / А.Ю. Грабовский, А.Ю. Егорова. САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ. СПб, 2017. 16 с.
В методических указаниях к лабораторной работе «КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТОВЫХ ВОЛН» сформулированы: теория, методические указания и алгоритм выполнения работы.
Лабораторная работа дает возможность студентам всесторонне изучить явление поляризации световых волн: определить степень поляризации лазерного излучения, провести экспериментальную проверку закона Малюса, самостоятельно получить и исследовать циркульно- и эллиптически поляризованный свет. Основная задача — овладеть техникой и методикой проведения эксперимента, а также приемами обработки его результатов и оформления заключительного отчета.
В зачетной работе практикума студент должен продемонстрировать умение в устной и письменной форме, логически верно и аргументировано защищать результаты своих исследований.
Методические указания к лабораторной работе предназначены для студентов всех специальностей и направлений подготовки бакалавриата и магистратуры Санкт-Петербургского горного университета.
Научный редактор проф. А.С. Мустафаев
| Ó Санкт-Петербургский горный университет, 2017 г. |
КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТОВЫХ ВОЛН
Изучить явление поляризации световых волн: определить степень поляризации лазерного излучения, провести экспериментальную проверку закона Малюса, самостоятельно получить и исследовать циркульно- и эллиптически поляризованный свет.
Видимый свет представляет собой электромагнитные волны с длинами волн от 4×10 –7 м (фиолетовый) до 7×10 – 7 м (красный). В электромагнитной волне векторы напряженности электрического поля 
и магнитного поля 
взаимно перпендикулярны и одновременно перпендикулярны направлению распространения волны 
(рис. 1). Плоскость, проведенную через направления 
и , называют плоскостью колебаний электрического вектора.
Для полной характеристики волны задают ее длину l, модули векторов и 
и ориентацию в пространстве плоскости колебаний электрического вектора. Если для некоторого пучка света плоскость колебаний электрического вектора не изменяет положение в пространстве, то такой свет называют линейно-поляризованным.
Естественный или неполяризованный свет можно рассматривать как наложение многих электромагнитных волн, распространяющихся в одном и том же направлении, но со всевозможными ориентациями плоскостей колебаний. Таким образом, для неполяризованного света нельзя указать даже плоскость преимущественного расположения вектора 
. Все его ориентации равновероятны. Если же имеется какое-либо преимущественное направление ориентации вектора , то световой пучок называют частично-поляризованным.
Если в световом пучке вектор имеет составляющие как по оси х, так и по оси у, причем 
и 
, где w – частота световой волны, то в каждый момент времени t эти составляющие складываются. Результирующий вектор, оставаясь постоянным по величине, вращается с частотой w, а его конец описывает окружность. В этом случае говорят, что свет имеет круговую поляризацию.
Если составляющие вектора по осям х и у колеблются с одинаковыми частотами, но имеют либо разные амплитуды, либо разность фаз колебаний отличается от 
и т.д., то конец электрического вектора будет описывать эллипс и в этом случае говорят об эллиптической поляризации светового пучка. Таким образом, имеется пять типов поляризованного света:
· естественный или неполяризованный свет;
· линейно- или плоско-поляризованный свет;
· свет, поляризованный по кругу (циркульно);
Пусть на поляризатор падает линейно-поляризованное излучение интенсивностью I0 (рис. 2). Разложим вектор 
на две составляющие, лежащие в главной плоскости поляризатора: Е|| = Е0cosj, и перпендикулярную составляющую E^ = E0sinj, где j – угол между плоскостью колебаний электрического вектора, падающего на поляризатор излучения, и главной плоскостью поляризатора. Поскольку поляризатор пропускает излучение только с составляющей вектора 
лежащей в главной плоскости, то выходящее излучение имеет интенсивность
здесь угловые скобки обозначают, усреднение по времени. Учитывая, что интенсивность падающего излучения I0
Последнее соотношение называют законом Малюса.
Если направить на поляризатор естественное (неполяризованное) излучение, в котором все ориентации вектора напряженности равновероятны (т.е. возможны любые значения j), то проводя усреднение по углу j в соотношении (1) получим I = 0,5 Iест. Таким образом, при прохождении через поляризатор естественное излучение становится линейно-поляризованным, но убывает по интенсивности вдвое.
Для количественной оценки степени поляризацииизлучения применяется соотношение
. (2)
Частично-поляризованное излучение понимается как смесь линейно-поляризованного и неполяризованного излучений. Тогда I – полная интенсивность, Iп – интенсивность линейно-поляризованного компонента. Очевидно, 
, где Iн – интенсивность неполяризованного компонента. Поскольку 0 2 /Eо 2 – (2xy/EоEе) cos (dj) + y 2 / Eе 2 = sin 2 (dj),
где dj – сдвиг фаз колебаний на выходе из пластинки кристалла; x и y – координаты конца результирующего вектора x º Ex, y º Ey.
Нас интересует случай, когда эллипс ориентирован своими полуосями по осям Оx и Оy (Оу лежит в главной плоскости кристалла), при этом Eoи Ee являются полуосями эллипса. Это наблюдается, если выполнено условие для разности фаз: 
, k = 0, 1, 2, … Уравнение эллипса преобразуется при этом к виду
Разность фаз колебаний связана с разностью хода лучей: dj = 
. Используя (6), получим
Здесь знак плюс соответствует отрицательным кристаллам, знак минус – положительным кристаллам. Таким образом, если толщина пластины, вырезанной вдоль оптической оси, удовлетворяет условию (7), результатом будет эллиптическая поляризация выходящего излучения. Такая пластина носит название четвертьволновой или пластины λ/4.
Способ полученияциркулярной (круговой) поляризации излучения. Эллипс превращается в окружность при равенстве полуосей эллипса, т.е. Eo = Ee º E. Этого достигают, ориентируя четвертьволновую пластину оптической осью под углом a = 45° к плоскости колебаний падающего излучения. При этом компоненты результирующего вектора 
удовлетворяют уравнению окружности: Ex 2 + Ey 2 = E 2 . Заметим, что при a = 0° и a = 90° из четвертьволновой пластины выходит плоско-поляризованное излучение (электрический вектор 
в первом случаеи 
во втором).
Важным является то, что эти эффекты наблюдаются при освещении пластинки линейно-поляризованным светом. Если падающее на кристалл излучение не поляризовано, то разность фаз между о— и е-волнами, испускаемыми разными группами атомов, никак не согласована, поэтому эллиптической поляризации возникать не будет. Если же на кристалл падает линейно-поляризованный свет, то волна разделяется между о— и е-волнами в пропорции, которая зависит от ориентации плоскости колебаний вектора 
относительно оптической оси кристалла.
Описание экспериментальной установки
Общий вид и схема установки представлены на рис. 5 и 6 соответственно.
В состав установки входят: He-Ne лазер 1 мощностью 1,0 мВт, оптическая скамья 2; поляризатор 3, четвертьволновая (λ/4) пластина 4, анализатор 5, фотодетектор 6; цифровой мультиметр 7. Для отсчета углов поворота элементы 3, 4 и 5 установлены во вращающемся держателе с радиально нанесенными делениями, расположенными через равные угловые промежутки с шагом в 5 о .
Для получения различных видов поляризации количество элементов (3, 4, 5) на оптической скамье может варьироваться. На рис. 5 представлена схема эксперимента по изучению эллиптической и круговой поляризации. Лазерное излучение проходит через поляризатор 3, четвертьволновую пластину 4, направляется на анализатор 5 и затем попадает на фотодетектор 6. Фототок, пропорциональный интенсивности света, прошедшего через анализатор, измеряется цифровым мультиметром 7.
Перед началом работы лазер необходимо разогреть в течение 5-ти минут. Затем проверить юстировку установки, т.е. убедиться в том, что фотоэлемент полностью освещен и луч лазера попадает точно в середину щели фотодетектора.
Порядок выполнения работы
Дата добавления: 2019-01-14 ; просмотров: 368 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Источник
