Інтерференція поляризованого світла

     З М І С Т

     ВСТУП.

           Навколишній світ за своєю природою є матеріальним. Фізика – це наука, яка вивчає найзагальніші  форми руху матерії ( механічні, теплові, електромагнітні та інші) та їх взаємні  перетворення. Матерія може існувати в двох формах: у вигляді речовини та поля. До першої форми матерії  належать, наприклад, електрони, протони, атоми, молекули та всі речовини, з  яких вони побудовані. До другої – електромагнітні, гравітаційні поля. Різні види матерії  можуть переходити одна в одну. Наприклад, електрон і позитрон при взаємодії  перетворюються в електромагнітне  випромінювання у вигляді фотонів. Можливий і зворотний процес.

           Більшість фактичних  відомостей про природу і навколишні явища людина отримала за допомогою  зорового сприйняття, створеного світлом. Світло за своєю природою – явище електромагнітне, але воно одночасно проявляє хвильові (в явищах інтерференції, дифракції, поляризації, дисперсії) і квантові властивості (в явищах фотоефекту, люмінесценції і т.і.). Із зменшенням довжини хвилі (збільшенням частоти) дедалі чіткіше проявляються квантові властивості світла.

           З точки зору сучасних теорій неправильно було б протиставляти  хвильові та квантові властивості світла. Навпаки, їх можна порівнювати і  поєднувати на основі теорії відносності  та сучасних положень квантової фізики. З позицій сучасної фізики немає  розбіжностей між квантовими і хвильовими уявленнями про світло – це різні  властивості одного явища, і в  цьому полягає діалектична єдність  матерії.

           Одним з явищ, де проявляються хвильові властивості світла, є поляризація. Окремі речовини можуть проявляти анізотропію  властивостей при спеціальній дії  на них. До таких ефектів належать: фотопружний, електрооптичний та магнітооптичний  ефекти. Дослідження цих ефектів  є актуальним як з точки зору розуміння процесів у них, так і можливостях їх практичного використання.

     Об’єктом  дослідження у курсовій роботі обрано явище поляризації світла, створене поляризатором.

     Предметом дослідження є фотопружний ефект, який проявляється при механічній деформації ізотропних речовин, наприклад, органічного скла.

     Завдання  курсової роботи є виготовлення та налагодження роботи пристрою для спостереження фотопружних явищ і дослідження інтерференційних картин, обумовлених виникненням різниці ходу звичайного та незвичайного променів у штучно створених анізотропних умовах. 

 

     

                          Розділ1. Природне та поляризоване світло

            Відомо, що світлові хвилі поперечні: вектори напруженостей електричного Е та магнітного H полів взаємно перпендикулярні і коливаються в площині, яка перпендикулярна до вектора швидкості Ư поширення хвилі (тобто до напрямку поширення хвилі). Для описання стану поляризації світлового пучка необхідно мати уявлення про поведінку лише одного з векторів. Говорячи про напрямок світлових коливань, матимемо на увазі напрямок коливань світлового вектора – вектора напруженості Е електричного поля (ця назва обумовлена тим, що при дії світла на речовину основне значення має електрична складова хвилі, яка діє на електрони в атомах речовини). Площина, в якій відбуваються коливання вектора Е, називається площиною поляризації.

            Звичайні джерела світла є  сукупністю дуже великої кількості  швидко висвітлюючи (за 10^-7...10^-8 с) елементарних джерел (атомів або молекул), які випромінюють світло незалежно один від одного, з різними фазами та орієнтацією векторів Е і H, внаслідок чого в результуючій хвилі орієнтація векторів Е і H хаотично змінюється з часом. Тому в площині, перпендикулярній до напрямку поширення світла, всі напрямки Е є рівно імовірними (мал.1). Світло з найрізноманітнішими рівно імовірними орієнтаціями вектора Е називається природним або неполяризованим.  
 
 

       
 
 
 
 
 
 

            Світло, в якому напрямки коливань  якимсь чином впорядковані, називається  поляризованим.

            Поляризація світла – це така  його властивість, яка характеризується  просторово-часовою впорядкованістю  орієнтації векторів напруженостей  електричного та магнітного полів.  Під терміном “поляризація світла”  розуміють також процес отримання  поляризованого світла.

             Світло, в якому вектор Е коливається в певній площині, називається плоскополяризованим або лінійно поляризованим (мал.1).

            Найбільш загальним типом поляризації  є еліптична поляризація. У цьому випадку кінець вектора Е (в певній точці простору) описує деякий еліпс. Лінійно поляризоване світло можна розглядати як один з випадків еліптично поляризованого світла, коли еліпс перетворюється у відрізок прямої лінії, іншим випадком є поляризація по колу, коли еліпс перетворюється на коло.

            Природне світло можна перетворити  в плоскополяризоване за допомогою  поляризаторів, пристроїв, які  пропускають коливання тільки  визначеного напрямку (наприклад, пропускають коливання, паралельні площині поляризатора, і повністю затримують коливання, перпендикулярні до цієї площини). Як поляризатор можна використовувати середовища, анізотропні по відношенню до коливань вектора Е, наприклад, кристал турмаліну.

            Розглянемо класичні досліди  з турмаліном (мал.2). Спрямуємо природне світло перпендикулярно до пластини турмаліну Т₁, яка була вирізана паралельно осі ОО´ (напрямок у кристалі, відносно якого атоми кристалічної решітки розташовані симетрично).Обертаючи кристал Т₁ навколо напрямку променя, ніяких змін інтенсивності світла після проходження крізь турмалін не спостерігаємо. 
 

       
 
 
 
 
 

           мал.2

       Якщо на шляху променя поставити  другу пластину турмаліну Т₂ і обертати її навколо напрямку променя, то інтенсивність світла після проходження пластини змінюється в залежності від кута α між оптичними осями кристалів за законом Малюса:

           І = І₀ cos²α  ,                                                       (1)

     де  І₀ і І – відповідно інтенсивності світла, падаючого на другий кристал, і після його проходження. Отже, як видно з мал.2, амплітуда Е світлових коливань після проходження крізь Т₂ буде менша від амплітуди світлових коливань Е₀, що падають на Т₂ :  Е = Е₀ сosα..

     Так як інтенсивність світла пропорційна  квадрату амплітуди, то і отримаємо  вираз (1).

            Результати дослідів з кристалами  турмаліну пояснюються досить  просто, якщо виходити з викладених  умов пропускання світла поляризатором.  Перша пластина турмаліну пропускає  коливання тільки означеного  напрямку (на мал.2 він показаний стрілкою АВ), тобто перетворює природне світло у плоскополяризоване. Друга пластина турмаліну в залежності від її орієнтації пропускає більшу або меншу частину поляризованого світла, яка відповідає компоненту Е, паралельному осі другого турмаліну. На мал.2 обидві пластини розташовані так, що напрямки коливань АВ і А΄В΄, які вони пропускають, перпендикулярні один до одного. В даному випадку Т₁ пропускає коливання, напрямлені вздовж АВ, а Т₂ їх повністю гасить, тобто за другу пластину турмаліну світло не проходить.

     

     

     

     

     

     

       
 
 

            Пластина Т₁, що перетворює природне світло у плоскополяризоване, є поляризатором. Пластина Т₂ призначена для аналізу ступеня поляризації світла, називається аналізатором. Обидві пластини  однакові, тому їх можна поміняти місцями.

            Отже, закон Малюса (1): Інтенсивність І лінійно поляризованого світла після проходження через аналізатор дорівнює добутку інтенсивності І₀ падаючого на аналізатор світла і квадрату косинуса кута α, що утворюється між площинами поляризації поляризатора і аналізатора.  

            1.2. Поляризація світла при відбиванні та заломленні світла

                   на межі поділу  двох діелектриків.

            Якщо природне світло падає  на межу поділу двох діелектриків (наприклад, повітря і скло), то  частина його відбивається, а  частина заломлюється в другому  середовищі. Якщо на шляху відбитого  і заломленого променів поставити  аналізатор (наприклад, турмалін), то  можна виявити, що відбитий  і заломлений промені частково  поляризовані: при обертанні аналізатора  навколо променів інтенсивність  світла періодично підсилюється  і слабне (повного гасіння не  спостерігають). Подальші дослідження  показали, що у відбитому промені  переважають коливання, які перпендикулярні  до площини падіння (на мал.4 вони позначені крапками), а у заломленому промені – коливання, паралельні площині падіння (на мал.4 вони позначені стрілками).

            Ступінь поляризації (виділення  світлових хвиль з означеною  орієнтацією електричного і магнітного  векторів) залежить  від кута падіння  променів і показників заломлення  речовин. Шотландський фізик Д. Брюстер (1781-1868р.р.) встановив закон, згідно з яким прикуті падіння ί_В (кут Брюстера), що визначається співвідношенням:

           tg ί_B = n₂₁      (2)

     (n₂₁ – показник заломлення другого середовища відносно першого), відбитий промінь буде плоскополяризованим (тобто буде мати тільки коливання , перпендикулярні до площини падіння). Заломлене світло при куті падіння ί_В поляризується максимально, але не повністю. 
 
 
 

       
 
 
 
 

                     мал.4 

            Якщо світло падає на межу  розподілу під кутом Брюстера, то напрями поширення відбитої  і заломленої хвиль взаємно  перпендикулярні 

     (tg ί_B = sin ί_B/cos ί_B, n₂₁ = sin ί_B/sin ί₂, де ί₂ – кут заломлення, звідки cos ί_B= sin ί₂ . Отже, ί_B + ί₂ = π/2, але ί_B = ί΄_B (закон відбиття), тому ί΄_B+ ί₂ = π/2).

            Ступінь поляризації заломленого  світла може бути значно більшим  завдяки багаторазовим заломленням  при умові падіння світла кожен  раз на межу розподілу під  кутом Брюстера. Якщо, наприклад,  для скла ( n = 1,53) ступінь поляризації заломленого променя ≈ 15%, то після заломлення на 8 – 10 однакових скляних пластинках, розміщених одна за одною, світло, яке виходить з такої системи , буде практично повністю поляризоване. Така сукупність пластинок називається стопою. Стопа дає можливість проаналізувати світло як при відбитті, так і при заломленні.  
 
 

                           1.3. Подвійне заломлення променів

            Всі прозорі кристали (крім кристалів  кубічної системи, які оптично  ізотропні) здатні до подвійного  заломлення променів, тобто промінь  світла, що падає на поверхню  кристала, роздвоюється в ньому  на два промені, які в загальному  випадку мають різні напрями поширення і різні напрями поляризації. Це явище, вперше виявлене датським вченим Е.Бартоліном (1625-1698р.р.) для ісландського шпату (різновидність кальциту CaCO₃),  пояснюється особливостями розповсюдження світла в анізотропних середовищах.

            Якщо на товстий кристал ісландського  шпату падає вузький пучок  світла, то з кристалу вийдуть  два просторово розділені промені,  паралельні один одному і падаючому  променю. І в тому випадку,  коли первинний пучок падає  на кристал нормально, заломлений  пучок розподіляється на два,  причому один з них є продовженням  первинного, а другий відхиляється (рис.21).

       

                          мал.5