Поляризация света при отражении и преломлении

СВЕТА НА ГРАНИЦЕ ДВУХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Цель работы: определение угла Брюстера для стекла. Определение степени поляризации преломленной световой волны.

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

Краткая теория

Свет является электромагнитной волной, т. е. волной, в которой происходят колебания напряженности электрического поля Е и напряженности магнитного поля Н. Электромагнитная волна поперечна, так как колебания напряженностей векторов Е и Н перпендикулярны направлению её распространения. Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями напряженности электрического поля. Поэтому вектор напряженности электрического поля E принято называть световым вектором. В дальнейшем будем говорить только о векторе Е (направление вектора H всегда можно определить, зная направление вектора E).

Естественный свет представляет собой совокупность световых волн со всевозможными направлениями колебаний напряженности Е (а следовательно, и H), перпендикулярными к лучу света, быстро и беспорядочно сменяющими друг друга.

Свет, направление колебаний в котором упорядочено каким-либо образом, называют поляризованным. Упорядоченность может заключаться в том, что вектор напряженности E поворачивается вокруг луча, одновременно пульсируя по величине, при этом конец вектора напряженности E описывает эллипс. Такой свет называется эллиптически поляризованным. Свет, в котором имеется единственное направление колебаний вектора напряженности Е (а следовательно, и Н), называют плоскополяризованным.

Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора напряженности Е, но при этом имеются и другие направления колебаний, называют частично поляризованным.

Рис. 1

Одним из способов получения поляризованного света является его отражение и преломление на границе раздела двух изотропных диэлектриков. Пусть на границу раздела диэлектриков 1 и 2 падает естественный свет (рис. 1). Отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения (изображены точками на рис. 1), в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения. Степень поляризации зависит от угла падения. При некотором угле падения, называемом углом Брюстера (

), отраженный луч становится полностью поляризованным (плоскополяризованным). Степень поляризации преломленного луча при угле падения, равном

, достигает наибольшего значения (на рис. 1 колебания, параллельные плоскости падения, изображены двухсторонними стрелками). Однако этот луч остается поляризованным частично. Угол Брюстера определяется следующим соотношением:

(1)

где – показатель преломления второй среды, относительно первой. Это соотношение носит название закона Брюстера.

Если на границу раздела двух диэлектриков под углом Брюстера падает плоскополяризованный свет (например, от лазера) с направлением колебаний вектора напряженности Е в плоскости падения волны, то интенсивность отраженной волны становится близкой к нулю. Это объясняется тем, что в падающей волне отсутствует направление колебаний вектора напряженности Е, необходимое для создания отраженной волны. Если преломленные лучи подвергнуть второму, третьему и т.д. преломлениям, то степень поляризации преломленных лучей возрастает. Если имеется 8-10 пластинок (стопа Столетова), то при падении под углом Брюстера и отраженный и прошедший свет практически оказываются полностью поляризованными.

Анализ поляризованного света осуществляется с помощью поляризационных приборов. Если поляризационный прибор используется для получения поляризованного света, то он называется поляризатором. При использовании прибора для анализа поляризованного света его называют анализатором.

Если на пути естественного света поставить поляризатор, то из него выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого составит половину интенсивности естественного света :

Интенсивность света на выходе из второго поляризатора определяется из закона Малюса:

где – угол между плоскостями поляризатора и анализатора.

Интенсивность света будет максимальной в том случае, когда (плоскости поляризатора и анализатора параллельны). При интенсивность света на выходе из анализатора равна нулю, т.е. скрещенные под углом 90⁰ поляризаторы света не пропускают. Реально прохождение света через анализатор и поляризатор связано с потерями световой энергии, т.е. световой луч при выходе из них имеет интенсивность меньшую, чем . Если поляризатор вращать вокруг направления луча, то для частично поляризованного света наблюдается изменение интенсивности от до . Выражение