Отражательный прибор Нюрренберга и получение поляризованного света

Из закона Брюстера следует, что свет можно поляризовать, просто заставив его отразиться под углом Брюстера. Один из старейших приборов, основанный на таком принципе, – это так называемый отражательный прибор Нюрренберга (Нюрренберг, 1787 – 1862 гг.). Его основные части — две стеклянные пластинки (рис. 7), на кото­рые лучи надают под углом Брюстера. Первая пластинка играет роль поляризатора, т. е. приспособления, создающего линейно поляризованный свет из неполяризованного света. Вторая служит анализатором, т. е. устройством, которое детек­тирует линейно поляризованный свет. Однако этот прибор обладает рядом недостатков; из них наиболее существенны сравнительно малая доля света, отраженного под углом Брюстера, и довольно сложный путь лучей через прибор. Предпочтительнее использовать устройства, которые поля­ризуют падающий свет без изменения направления его распространения. Это можно сделать, например, с помощью стопы тонких плоскопараллель­ных пластинок. Если на стопу падает пучок неполяризованпого света, то при каждом преломлении он частично поляризуется, и поэтому можно достичь достаточно высокой степени поляризации даже при небольшом числе пластинок.

Рис. 7. Схема, иллюстрирующая принцип отражательного прибора Нюрренберга. P – поляризующая стеклянная пластинка; S –отражающее зеркало; i – падающий пучок; p – поляризованный пучок; r – пучок, отраженный от А.

Раньше поляризованный свет получали, как правило, с помощью двойного лучепреломления в кристаллах исландского шпата или кварца. Теперь наиболее удобный метод заключается в использовании так называемых поляроидных пленок. Их действие основано на свойстве, известном как дихроизм. Вещества, обладающие этим свойством, имеют различные коэффициенты поглощения для света, поляризованного в различных направлениях. Например, можно изго­товить пленки из поливинилового спирта с внедреннымиодом, которые пропускают почти 80% света, поляризованного в одной плоскости, и менее 1% света, поля­ризованного в перпендикулярном направлении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, можно сказать, что изучение темы поляризации света при отражении является актуальной, так как в мире появляются материалы, магнитная проницаемость которых , а так же и диэлектрическая проницаемость . И в связи с этим появляется большой интерес к изучению явлений прохождения и отражения света на границе раздела сред с учетом и .

Изучив предмет исследования, то есть поляризацию света при отражении с учетом диэлектрической и магнитной проницаемостей, цель данной работы была выполнена, а именно, в связи с ознакомлением с литературой по проблеме исследования, изучением явление поляризации света при отражении и изучением влияния диэлектрической и магнитной сред на поляризацию света, был произведен расчет компонент электрического и магнитного поля в отраженном свете, который отражен в таблице и графике зависимости в приложении данной работы. Для получения результата применялись следующие методы исследования: теоретический анализ и обобщение научно-технической литературы научно-методических трудов и теоретических работ по физике таких ученых, как Д.В. Сивухин, М. Борн, Э. Вольф, И.В. Савельев и Г.С. Ландсберг.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ПРИ ОТРАЖЕНИИ И ПРЕЛОМЛЕНИИ
СВЕТА НА ГРАНИЦЕ ДВУХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Цель работы: определение угла Брюстера для стекла; вычисление показателя преломления стеклянной пластинки.

Приборы и принадлежности: модульный лабораторный учебный комплекс МУК – О (по оптике).

 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

 

Свет является электромагнитной волной, т.е. волной, в которой происходят колебания векторов напряженности электрического поля и напряженности магнитного поля . Электромагнитная волна поперечна, т.е. колебания векторов и перпендикулярны направлению её распространения и образуют с вектором скорости распространения волнового фронта правую тройку векторов. Вектор принято называть световым, т.к. фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора. Поэтому все рассуждения будут ограничены рассмотрением этого вектора. Наличие вектора подразумевается.

Световой пучок как совокупность световых волн со всевозможными направлениями колебания вектора , перпендикулярными к лучу света, называется естественным. В естественном свете колебания светового вектора различных направлений быстро и беспорядочно сменяют друг друга (рис 1).

Свет, в котором направления колебаний вектора упорядочены каким – либо образом и подчиняются некоторой закономерности, называется поляризованным. Если колебания вектора могут совершаться лишь в одном определенном направлении, то свет называется линейным или плоскополяризованным (рис. 2, а). Если же колебания вектора совершаются так, что его конец описывает круг или эллипс, то свет называется соответственно поляризованным по кругу или эллиптически поляризованным (рис. 2, б, в). Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора , но при этом имеются и другие направления колебаний, называют частично поляризованным.

Одним из способов получения поляризованного света является его отражение и преломление на границе раздела двух изотропных диэлектриков.

Если направить пучок естественного света на границу раздела двух диэлектриков (например, воздух – стекло), то часть света отражается, а часть, преломляясь, распространяется во второй среде. Располагая анализатор (например, кристалл турмалина) на пути луча, можно исследовать поляризации отраженного и преломленного лучей. Такое исследование было проведено в 1810г. Малюсом. Оказалось, что отраженный и преломленный лучи поляризованы частично, причем, в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, а в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения. Степень поляризации зависит от угла падения. При некотором строго определённом для данных сред значении угла падения отраженный от границы раздела свет оказывается полностью линейно – поляризованным. Такой угол падения называется углом Брюстера(ί_Бр) или углом полной поляризации и определяется согласно закону, установленному в 1815г Брюстером:

 

tgί_Бр= n_{21, (1.1)}

 

где n₂₁ –показатель преломления второй среды по отношению к первой.

Для стекла с показателем преломления n=1,53 угол Брюстера составляет около 57°.

Что касается преломленного луча, то при выполнении закона Брюстера, он поляризуется максимально, но не полностью (рис. 3).

 

Рис. 3

 

Поскольку в силу закона преломления , где i₂ – угол

 

преломления, то из закона Брюстера следует: , т.е.

 

или i₂+i _Бр =i₂+i₁= .

 

Это означает, что при выполнении закона Брюстера угол между отраженным и преломленным лучами составляет 90°. Закон Брюстера можно получить из формул Френеля для прохождения света через границу двух диэлектриков.

Недостатком поляризации при отражении является малая доля отражаемого от диэлектриков излучения (например, от стеклянной пластинки отражается 3-5% падающего света). Поэтому пользуются многократным отражением волны от стопы пластин (стопа Столетова, рис.4), заставляя луч неоднократно

 

Рис.4

преломляться, при условии падения каждый раз на границу раздела под углом Брюстера.

Отраженные лучи уносят колебания, перпендикулярные плоскости падения, и проходящий луч, постепенно «очищаясь» от этих колебаний, становится почти плоскополяризованным (с вектором , лежащим в плоскости падения). В зависимости от необходимости исследований в той или иной спектральной области выбирается подходящий материал стопы. Так, если в видимой области материалом стопы может быть обычное стекло, то в инфракрасной - селен или хлористое серебро.

Объясним физическую сущность закона Брюстера.

Отражение и преломление лучей является результатом взаимодействия падающего света со средой. Падающая световая волна возбуждает в среде колебания электронов, которые становятся источником вторичных волн. Эти волны, интерферируя между собой, дают отраженные и преломленные волны.

В изотропном веществе, т.е. веществе, имеющем одинаковые свойства во всех направлениях, структура и взаимное расположение молекул таковы, что направление колебаний электронов совпадает с направлением колебаний электрического вектора возбуждающей световой волны. Интенсивность излучения отдельного электрона зависит от направления и может быть представлена полярной диаграммой (рис. 5).

 

Рис.5

 

Здесь радиус – вектор характеризует величину интенсивности в рассматриваемом направлении (например, в направлении ОМ). Излучение вдоль линии колебания электронов АВ отсутствует.

Пусть на границу раздела двух сред 1 и 2 падает плоскополяризованная волна под углом Брюстера (рис. 6).

 

Рис.6

Плоскость колебания вектора совпадает с плоскостью падения (плоскость чертежа). Колебания электронов под действием преломленной волны происходят перпендикулярно ОД₃ (вдоль АВ). В направлении ОД₂ интенсивность отраженного света будет равна нулю, так как оно совпадает с направлением колебания электрона АВ.

Если вдоль Д₁О падает естественный свет, то колебания электрического вектора можно заменить совокупностью двух взаимно перпендикулярных составляющих, одна из которых _рлежит в плоскости падения, другая Е_{s –} перпендикулярна плоскости падения. Колебания,происходящие в плоскости падения в отраженном луче согласно изложенному выше, будут полностью отсутствовать. Останутся только лишь колебания, перпендикулярные плоскости падения.

Закон Брюстера применим для любых электромагнитных волн, если только их длина волны мала по сравнению с расстоянием от источника до границы раздела, а также по сравнению с протяженностью границы раздела, так что можно пренебречь эффектами на её краях.

Закон Брюстера выполняется лишь при отражении света от границы двух изотропных диэлектриков. Свет, отраженный от поверхности металлов, не является плоскополяризованным ни при каких углах падения. Это объясняется наличием в металлах свободных электронов, которые под действием переменной напряженности электрического поля не могут совершать гармонических колебаний.

На опыте закон Брюстера не выполняется вполне строго. Небольшие отклонения от закона Брюстера объясняются существованием очень тонкого переходного слоя на отражающей поверхности, в котором дипольные моменты молекул ориентированны иначе, чем внутри диэлектриков.

 

2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

 

В качестве экспериментальной установки используется модульный учебный комплекс МУК-О.

Источником излучения является полупроводниковый лазер. Длина волны лазерного излучателя l = 0,65 мкм.

Комплекс снабжен механическими отсчетными устройствами углов поворота.

 

где 1 – устройство с полупроводниковым лазерным осветителем;

2 – турель, на которой смонтированы объекты исследования для лабораторных работ по интерференции и дифракции;

3 – диафрагма;

4 – поляризатор, закрепленный на турели во вращающейся обойме со стрелкой – указателем и транспортиром;

5 – турель с объектом исследования, используемым в работах по поляризации света;

6 – стойка;

7 – устройство, содержащее поворотную стеклянную пластинку, использующуюся в опытах по изучению закона Брюстера;

8 – основание оптического блока.

 

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

 

3.1. Включите лазерный источник света. Конструктивные особенности применяемого лазера таковы, что пучок света на его выходе имеет эллиптическую поляризацию.

3.2. Для превращения эллиптически поляризованного света в плоско поляризованный введите по ходу пучка света поляризатор 4. Объекты 2, не используемые при изучении поляризации света, выведите из-под светового пучка.

3.3. Стрелку поляризатора, установленную при юстировке прибора вдоль плоскости его пропускания, поверните в переднее положение, при этом она должна указывать на 0⁰. Теперь после поляризатора распространяется пучок, плоскость колебаний светового вектора которого лежит в плоскости падения его на стеклянную пластинку.

3.4. Поворотом расположенной ниже турели 5 установите по ходу луча стеклянную пластинку.

3.5. Вращая стеклянную пластинку вокруг горизонтальной оси с помощью расположенных на ее оси ручек, пронаблюдайте за изменением интенсивности луча лазера, отраженного на вертикальную шкалу.

3.6. Установите пластинку под углом Брюстера. При этом интенсивность отраженного луча достигнет минимума. Определите по шкале численное значение полученного угла ί_Бр. Измерения угла Брюстера повторите 5 раз.

3.7. Результаты измерений представьте в виде таблицы.

3.8. По среднему значению угла Брюстера, пользуясь законом Брюстера (формула 1.1) вычислите показатель преломления стекла, из которого изготовлена пластинка.

3.9. Пользуясь принятыми на рис.3 обозначениями направления колебаний светового вектора, начертите схему хода лучей.

 

Таблица результатов

№ п\ п	ίБр	n	‹ n ›	‹ ∆n ›	Е, %	n=‹ n ›±‹ ∆n ›
1. 2. 3. 4. 5.

 

3.10. Оцените погрешность показателя преломления стекла методом Стьюдента:

‹ ∆n ›=±τ_P,N

 

где Р=0.95, N- число измерений.

 

4. ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА

 

1. Назовите основные части установки и объясните их назначение.

2. Опишите метод измерения угла Брюстера.

3. Поясните схему хода лучей при выполнении закона Брюстера.

 

5. ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ

 

1. Естественный и поляризованный свет. Виды поляризованного света.

2. Способы получения поляризованного света.

3. Поляризация при отражении света от диэлектрика. Закон Брюстера. Стопа Столетова.