Вопрос 21 Полуволновая пластинка

Поляризация света Сегодня известно, что видимый свет представляет собой электромагнитные волны с определённой длиной волны. Опыты, в которых была открыта поляризация света, указывают на поперечность этих волн, поскольку свойства продольной волны в плоскости перпендикулярной направлению её распространения, различаться не могут. При распространении электромагнитной волны в ней совершают колебания вектор напряжённости электрического поля Е и вектор магнитной индукции В. Эти векторы всегда взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной распространению волны. Если колебания вектора Е происходят в одной плоскости, то говорят, что свет плоскополяризован (или линейнополяризован), а саму эту плоскость называют плоскостью поляризации. Векторы Е и В могут вращаться относительно направления распространения света; в этом случае световая волна обладает сложной поляризацией (круговой или эллиптической). Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряжённости электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока. Поляризатор – вещество (или устройство) служащее для преобразования естественного света в плоскополяризованный. Плоскость поляризации – плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны. Квант света, излучённый атомом, поляризован всегда. Однако излучение макроскопического источника света (электрической лампочки, Солнца, свечи) является суммой излучений огромного числа атомов. Каждый из них излучает квант примерно за 10-8 секунды, и если все атомы будут излучать свет с различной поляризацией, то поляризация всего пучка будет меняться на протяжении таких же промежутков времени. Поэтому, в естественном свете все эффекты, связанные с поляризацией усредняются, и его называют неполяризованным. Для выделения из неполяризованного света части, обладающей желаемой поляризацией, используют поляризаторы (например, исландский шпат или турмалин, а также искусственные поляризаторы). Если волна поляризована параллельно, то она беспрепятственно проходит сквозь препятствие. Напротив, поляризованная в перпендикулярном направлении бегущая волна сквозь преграду уже не пройдёт, а распадётся на две отдельные стоячие волны, отражающиеся в обе стороны от преграды. Таким образом, преграда в виде решётки случит поляризатором для бегущих по верёвке поперечных волн, пропуская лишь волны, поляризованные в узком диапазоне углов в вертикальной плоскости. С точки зрения общей теории взаимодействий поляризованный свет характеризуется сохранением положения плоскости вращения бионов. Степень поляризации света зависит от свойств вещества, в котором преломляются или от которого отражаются световые лучи. При определённом строении атомов вещества, и, как следствие, формы его (вещества) кристаллической решётки, эффект поляризации при преломлении становится достаточно сильным, чтобы его можно было наблюдать в опытах. Тоже самое можно сказать и для поляризации при отражении. Механизм действия тот же. Это влияние электрического поля атомов на процессы вращения бионов. Если в солнечный день посмотреть на голубое небо сквозь поляризатор, то вращая его, можно заметить, что на небе возникают темные полосы. Этот опыт свидетельствует о поляризации солнечного света при его рассеянии в атмосфере. Распространение света в анизотропных средах. Двойное лучепреломление имеет место в естественных анизотропных средах. Существуют, однако, различные способы получения искусственной оптической анизотропия, т. е. сообщения оптической анизотропии естественно изотропным веществам.Оптически изотропные вещества становятся оптически анизотропными под действием: 1) одностороннего сжатия или растяжения (кристаллы кубической системы, стекла и др.); 2) электрического поля (эффект Керра*; жидкости, аморфные тела, тазы); 3) магнитного поля (жидкости, стекла, коллоиды). В перечисленных случаях вещество приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого со впадает с направлением деформации, электрического или магнитного полей соответственно указанным выше воздействиям.Мерой возникающей оптической анизотропии служит разность показателей прело мления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси:где k1, k2, k3 - постоянные, характеризующие вещество, s - нормальное напряжение, Е и Н - соответственно напряженность электрического и магнитного полей. На рис. 284 приведена установка для наблюдения эффекта Керра в жидкостях (установки для изучения рассмотренных явлений однотипны). Ячейка Керра - кювета с жидкостью (например, нитробензолом), в которую введены пластины конденсатора, помещается между скрещенными поляризатором Р и анализатором А. При отсутствии электрического поля свет через систему не проходит. При наложении электрического поля жидкость становится двоякопреломляющей; при изменении разности потенциалов между электродами меняется степень анизотропии вещества, а следовательно, и интенсивность света, прошедшего через анализатор. На пути l между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает оптическая разность хода. Эффект Керра - оптическая анизотропия веществ под действием электрического поля - объясняется различной поляризуемостью молекул жидкости по разным направлениям. Это явление практически безынерционно, т.е. время перехода вещества из изотропного состояния в анизотропное при включении поля (и обратно) составляет приблизительно 10-10 с. Поэтому ячейка Керра служит идеальным световым затвором и применяется в быстропротекающих процессах (звукозапись, воспроизводство звука, скоростная фото- и киносъемка, изучение скорости распространения света и т. д.), в оптической локации, в оптической телефонии и т. д. Искусственная анизотропия под действием механических воздействий позволяет исследовать напряжения, возникающие в прозрачных телах. В данном случае о степени деформации отдельных участков изделия (например, остаточных деформаций в стекле при закалке) судят по распределению в нем окраски. Так как применяемые обычно в технике материалы (металлы) непрозрачны, то исследование напряжений производят на прозрачных моделях, а потом делают соответствующий пересчет на проектируемую конструкцию. Четвертьволновая пластинка Для преобразования линейно поляризованного света в эллиптически поляризованный в сенсорных устройствах с поляриметрами обычно пользуются так называемыми четвертьволновыми пластинками. Четвертьволновая пластинка вырезается из оптически анизотропного кристалла или изготовляется из слюды, расщепленной по плоскости спайности. Свое название четвертьволновая пластинка получила вследствие того, что при прохождении через такую пластинку светового пучка колебания вектора, направленные вдоль двух определенных взаимно перпендикулярных направлений в плоскости пластинки, приобретают разность хода, равную четверти длины волны. Два взаимно перпендикулярных направления в плоскости пластинки, о которых сказано выше, называются главными направлениями. При прохождении через такую пластинку линейно поляризованный свет, направление колебаний в котором составляет угол 45 ° с главными направлениями пластинки, становится поляризованным по кругу. Важными компонентами световодных сенсорных систем с модуляцией излучения по состоянию поляризации, кроме призм или иных приборов, разделяющих частично поляризованный свет на поляризованную и неполяризованную его доли, являются также оптические компенсаторы и анализаторы. Простейшим оптическим компенсатором может служить упомянутая выше четвертьволновая пластинка. Пластинку помещают на пути исследуемого луча и поворачивают, пока ее оптические оси не совпадут с осями колебаний. При этом фиксируемом положении пластинка выполняет основную роль компенсатора — преобразует излучение с круговой поляризацией в свет, поляризованный линейно, дополняя разность фаз до нуля или до я. К другим поляризационным компенсаторам, используемым для определения степени поляризации частично поляризованного света, относятся, например, устройства с помещенной на пути луча плоскопараллельной пластинкой. При повороте этой пластинки вокруг оси, параллельной ее плоскости, меняется интенсивность отражения лучей различной поляризации. Компенсаторы такого рода применяют для измерения вращения плоскости поляризации (компенсатор Солейля и др.). Типичным образцом оптического анализатора — устройства для анализа характера поляризации света путем обнаружения плоско-поляризованного света — является поворачиваемая пластинка турмалина. Полуволновая пластинка Напомним, что полуволновой называется анизотропная пластинка, вырезанная параллельно оптической оси, проходя через которую, свет испытывает двойное лучепреломление, причем разность хода прошедших обыкновенного (о) и необыкновенного (е) лучей составляет λ/2 (λ - длина волны падающего света). Если направить на такую пластинку линейно поляризованный световой пучок, вышедший луч будет также линейно поляризован, но, вообще говоря, в другой плоскости. Имеющаяся в комплекте пластинка является полуволновой лишь для вполне определенной длины волны λ0. В случаях λ» λ0 и λ«λ0 разность хода о и е лучей будет отлична от λ/2, поэтому вышедший световой пучок будет эллиптически поляризован. Цель данной работы - найти значение λ0, при котором пластинка работает как полуволновая.