Поляризация света Чужков Ю.П. Доцент каф. физики Канд. Физ.мат. наук

Поляризация света
Чужков Ю.П.
Доцент каф. физики
Канд. Физ.мат. наук
Тема занятия
1. Естественный и поляризованный свет.
2. Степень поляризации.
3. Поляризатор и анализатор.
4. Закон Малюса.
5. Поляризация при отражении и
преломлении. Угол Брюстера.
6. Двойное лучепреломление.
7. Поляризационные приборы.
8. Искусственная анизотропия. Вращение
плоскости поляризации.
Поляризация света
Что такое поляризация света?
Само слово поляризация означает
упорядочивание чего либо.
Так, при внесении диэлектрика в
электрическое поле возникает
явление, которое называется
поляризацией диэлектрика.
Поляризация диэлектрика

p
+q
Внесение диэлектрика в электрическое
поле приводит к упорядочиванию
ориентации всех дипольных моментов
– все дипольные моменты
ориентируются вдоль поля.
σ>0
++++++-
-q

E0  0

E0
++++++-
При отсутствии внешнего
электрического поля дипольные
моменты молекул диэлектрика
вследствие теплового движения
ориентированы в пространстве
хаотично и их результирующий момент


l
равен нулю.
p
σ<0
Поляризация света
Следствием теории Максвелла является поперечность
световых волн: векторы
напряженностей


электрического E и магнитного H полей волны
взаимно перпендикулярны и колеблются
перпендикулярно вектору скорости распространения
волны (перпендикулярно лучу).
Электрон

E
фотоны

H
Атом
Излучение
Электромагнитная волна
Естественный свет
В качестве светового вектора выбранвектор
напряженности электрического поля E .
Поляризация света
Свет считается поляризованным,
если

направление колебаний вектора E
напряженности электрического поля
(светового вектора) сохраняется
неизменным или меняется закономерным
образом.

Ориентация вектора E остается неизменной или
конец вектора описывает либо эллипс, либо
окружность.
Плоскость поляризации
Плоскость, проходящая через направление колебаний
светового вектора плоско-поляризованной волны и
направление распространения этой волны, называется
плоскостью поляризации (плоскость А )

EE

А

H
В
Плоскость, проходящую через луч и перпендикулярную
направлению колебаний вектора E (плоскость В), в которой

колеблется вектор H , называют плоскостью колебаний.
Типы поляризации света
Естественный свет - свет со
всевозможными равновероятными

ориентациями вектора E .
Световые волны, испускаемые
обычными источниками света, не
имеют какого – либо выделенного
направления
Частично поляризованный (эллиптически 
поляризованный) свет – когда конец вектора E
в последовательные моменты времени
описывает эллипс.
Типы поляризации света
Циркулярно поляризованный (или
поляризованный по кругу) свет – когда конец
вектора
в последовательные моменты
времени описывает окружность
Плоско (или линейно) поляризованный
свет 

свет, в котором векторы E и H
колеблется только в одном направлении,
перпендикулярном лучу.
Плоско поляризованный и циркулярно
поляризованный свет являются предельным случаем
эллиптмчески поляризованного света.
Получение поляризованного света
Существует несколько способов получения
поляризованного света
1. Использование так называемых
поляризаторов, пропускающих колебания только
определенного направления
2. Путем отражения и преломления на границе
двух диэлектриков.
3. Сложением ортогональных световых
колебаний с разностью фаз, равной   / 2 .
4. Применением лазеров
Поляризатор
Плоско поляризованный свет
0!
0
Естественныйс
вет
0!
0
0
Поляризатор
0
0!
0!
I0 
1
I ест
2
Вращая кристалл вокруг направления светового
луча, никаких изменений в интенсивности,
прошедшего через поляризатор света , не
наблюдается,хотя последний ослабит
интенсивность исходного световой пучка в два
раза.
Поляризатор и анализатор
Плоскополяризованный свет
Естественный
свет
01

P1
I0 
I ест
0
1
I ест
2
0
P2
01
I max
Частично
поляризованный
свет
I min
Если поставить на пути луча еще вторую аналогичную
пластинку турмалина P2, расположенную параллельно первой,
то ситуация изменится.
Интенсивность оказывается наибольшей, если оптические оси
обеих пластинок параллельны; она равна нулю (свет полностью
задерживается), если оптические оси пластинок
перпендикулярны, и имеет промежуточное значение при
промежуточных положениях пластинок.
Степень поляризации
Плоскополяризованный свет
Естественный
свет
01

P1
I0 
I ест
0
1
I ест
2
0
I max  I min
P
I max  I min
P2
01
I max
I min
Частично
поляризованный
свет
P2 - анализатор
где I max и I min - максимальная и минимальная
интенсивности частично поляризованного света ;
Для плоско поляризованного света I min  0 и Р= 1.
Для естественного света I max  1 и Р = 0.
К эллиптически поляризованному свету понятие степени
поляризации не применимо (колебания упорядочены)
Закон Малюса
0
Плоскополяризованный свет
1

P1
Естественный свет
01
0
0
1
I 0  I ест
2
I ест
0

P2
0
0
E  E0 cos 
I
1
I ест cos 2 
2
0
1
0
P1
P2
1
I  I 0 cos 
2
1
I 0  I ест
2
1
2
I  I ест cos 
2
Задача 1
На пути естественного света интенсивностью J0
помещены две пластины турмалина. После прохождения
пластинки 1 свет полностью поляризован. Если угол φ
между направлениями ОО и О'О' равен 60О, то
интенсивность J2 света, прошедшего через обе
пластинки, связана с J0 соотношением…
1
J1  J 0
2
1
J 2  J 1 cos   J 0 cos 2 
2
2
2
J0
1
1 1
2
0
J 2  J 0 cos 60  J 0   
2
2 2
8
Ответ:
J0
J2 
8
Задача 2
Определить, во сколько раз уменьшится интенсивность света,
прошедшего через поляризатор и анализатор, расположенные
так, что угол между их главными плоскостями   30 0 и в
каждом из них теряется 8% падающего света.
Дано:   300
Найти: I 0
I2
k = 0,08
С учетом потери интенсивности
Согласно закону Малюса
I 2  I 1 1  k  cos 2 
I0
 3,15
I2
(2)
1
2
I 2  1  k  cos 2 
2
Подставляя (1) в (2), получаем
Ответ:
1
I 1  1  k I 0 (1)
2
I0
2

2 2
I2
1  k cos 2 


I0
 3,15
I2
Поляризация света при отражении и
преломлении
Свет поляризуется не только при прохождении
анизотропного диэлетрика, но и при падении на
границу раздела двух диэлектриков.
Отраженный и преломленный лучи оказываются
частично поляризованными.
В отраженном луче преобладают
φ
колебания, перпендикулярные
n
плоскости падения.
1
n2
В преломленном - колебания,
параллельные плоскости падения
Угол Брюстера
Степень поляризации зависит от угла падения
лучей и показателей преломления диэлектрика.
φбр
n1
π/2
n2
tg бр  n21
n2
n21 
n1
Угол Брюстера – угол падения
естественного света на границу
раздела двух диэлектриков, при
котором отраженный луч является
плоскополяризованным (содержит
только колебания перпендикулярные
плоскости падения).
Для преломленного луча P ~ 15%
Угол Брюстера
При падении света под углом Брюстера
преломленные лучи оказываются частично
поляризованными.
Стопа
Столетова
Степень поляризации
преломленного света может
быть значительно повышена
путем многократного
преломления света на
наложенных друг на друга
стеклянных пластинок.
Свет на каждую границу раздела - под углом Брюстера
Пучок естественного света падает на полированную поверхность
стеклянной пластины, погруженной в жидкость. Отраженный от
пластины пучок света составляет угол  = 97° с падающим
пучком. Определить показатель преломления n жидкости, если
отраженный свет полностью поляризован.
Задача 3
Найти: n1
Показатель преломления стекла принять равным 1,5.
Согласно закону Брюстера, свет, отраженный от диэлектрика,
полностью поляризован в том случае, если тангенс угла падения
tg

2
 n21 где n21 — относительный показатель преломления второй
среды (стекла) относительно первой (жидкости).
Относительный показатель преломления равен отношению абсолютных
показателей преломления этих сред

n2
tg 
2 n1
Овет:
n1  1,33
n1 
n2
tg  / 2
1,5
n1 
 1,33
tg 48,5

n1
π/2
n2
Двойное лучепреломление
При прохождении света практически через все
прозрачные кристаллы наблюдается явление, получившее
название двойное лучепреломление.
e
o
Впервые это явление наблюдалось в
1669 г Бартолином для исландского
шпата (разновидность углекислого
кальция CaCO3).
Двойное лучепреломление заключается в том, что упавший на
кристалл луч разделяется внутри кристалла на два луча
(обыкновенный и необыкновенный), распространяющиеся с
разными скоростями и в разных направлениях.
Двойное лучепреломление
• Оба луча параллельны друг другу и падающему лучу.
• Даже в случае нормального падения света на кристалл
преломленный пучок разделяется на два – обыкновенный луч
является продолжением первичного, а необыкновенный
отклоняется.
• Оба луча полностью поляризованы во взаимно
перпендикулярных направлениях
• Обыкновенный луч распространяется в
кристалле по всем направлениям с одинаковой
e
скоростью.
O
• Необыкновенный – по различным
направлениям с разной скоростью
o 
с
n0
e 
с
ne
Двойное лучепреломление
Направление в оптически анизотропном кристалле,
по которому луч света не испытывает двойного
лучепреломления, называется оптической осью
кристалла.
Неодинаковое преломление обыкновенного и
необыкновенного лучей указывает на различие для них
показателей преломления
о

o
о
S
S


e
о1
ne  no
Положительный кристалл
e

o
о1
ne  no
Отрицательный кристалл
Искуственная оптическая анизотропия
Двойное лучепреломление объясняется
анизотропией диэлектрической
проницаемости кристаллов.
В анизотропных кристаллах диэлектрическая
проницаемость ε оказывается зависящей от
направления.
Существуют различные способы получения
искусственной оптической анизотропии, т.е.
сообщения оптической анизотропии естественно
изотропным веществам.
Искуственная оптическая анизотропия
Оптически изотропные вещества становятся
оптически анизотропными под действием:
• одностороннего сжатия или растяжения
(кристаллы кубической системы, стеккла и др.
• электрического поля (эффект Керра)
Поляризатор
+
__
Анализатор
Возникает оптическая разность хода
  no  ne l
• магнитного поля (жидкости, стекла, коллоиды)
Задача 4
Дано: d1 = 2 мм;
1
= 530.
Пластинку кварца толщиной d1 = 2 мм, вырезанную
перпендикулярно оптической оси, поместили между
параллельными николями, в результате чего плоскость
поляризации света повернулась на угол 530. Определить
толщину d2 пластинки, при которой данный
монохроматический свет не проходит через анализатор.
Найти: d2.
Решение. Пластинка толщиной d1 поворачивает плоскость поляризации на
угол 1 . Пластинка толщиной d2 поворачивает плоскость поляризации на
угол  2
1  d1
 2  d 2

1
d1

2
d2
2
d 2  d1
1
. (1)
Угол найдем из условия задачи – через анализатор монохроматический свет
не проходит I 2  I1 cos2 2  0, откуда  2  90 0
Подставим в (1)
 2 90
d 2  d1
  2  10 3  3,4  10 3 м  3,4 мм
1 53
Ответ: d2 = 3,4 мм.
Поляризационные приборы
В основе работы поляризационных приспособлений,
служащих для получения поляризованного света, лежит
явление двойного лучепреломления. Наиболее часто для
этого применяются призмы и поляроиды
Призмы делятся на два класса:
1) призмы, дающие только плоскополяризованный луч
(поляризационные призмы – призма Николя);
2) призмы, дающие два поляризованных во взаимно
перпендикулярных плоскостях луча
(двоякопреломляющие призмы).
Призма Ни’коля
Призма Николя представляет собой двойную призму из
исландского шпата, склеенную вдоль линии АВ канадским
бальзамом с n0 = 1,55.
На передней грани призмы естественный луч, параллельный
ребру СВ, раздваивается на два луча: обыкновенный (n0 =
1,66) и необыкновенный (n0 = 1,51).
0
480
D
A
220
e
680
o
C
0’
B
При соответствующем подборе угла
падения (равного или больше
предельного) обыкновенный луч
испытывает полное отражение и
поглощается зачерненной
поверхностью.
Необыкновенный луч выходит из
кристалла параллельно падающему.
На пути естественного света интенсивностью J0
помещены две пластинки турмалина. После
прохождения пластинки 1 свет полностью
поляризован. Если интенсивность J2 света,
прошедшего через обе пластинки, связана с J0
соотношением
, то угол f между
Задача 5
направлениями OO и O’O’ равен…
Дано:
Найти:

1
1
1
1
1
2
2
J 2  J 0  J 0 cos   J 0  cos    cos  
   450
4
2
4
2
2
Ответ:

=450
Двоякопреломляющие призмы
Двоякопреломляющие кристаллы обладают свойством
дихроизма, т.е.различного поглощения света в зависимости
ориентации электрического вектора световой волны, и
называются дихроичными кристаллами.
Примером дихроичного кристалла является турмалин, в
котором из-за сильного селективного поглощения
обыкновенного луча уже при толщине пластинки 1 мм из нее
выходит только необыкновенный луч.
Поляроид – тонкая пленка из целлулоида, в которую
вкраплены кристаллики сернокислого иод-хинина (герапатит)
. Герапатит обладает очень сильно выраженным дихроизмом
в области видимого света.
Пленка при толщине ~ 0,1 мм полностью поглощает
обыкновенные лучи видимой области спектра
Вращение плоскости поляризации
Некоторые вещества (например, из твердых тел – кварц,
сахар, киноварь , из жидкостей – водный раствор сахара,
винная кислота, скипидар), называемые оптически
активными, обладают способностью вращать плоскость
поляризации
n
Р
d
А
Для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей,
угол поворота плоскости поляризации
  d
Для оптически активных растворов
   Cd
C – массовая концентрация вешества в растворе, кг/м3
Задача 6
Дано:
Найти толщину кварцевой пластинки, для которой угол
поворота плоскости поляризации света с длиной волны
  500 нм равен 1500. Постоянная вращения кварца для
этой длины волны   30 град/ мм
  500 нм;  1500; = 30 град/мм.
Найти: d.
Решение.
Угол поворота плоскости поляризации для оптически
активных кристаллов
  d
Вычисления
Ответ: d = 5 мм
d


150град
d
 5 мм
30град / мм
Фазовые пластинки
Фазовая пластинка – оптический элемент, преобразующий
форму поляризации проходящего через него
монохроматического поляризованного пучка света
Толщину пластинки d подбирают та, чтобы на ее выходе
разность фаз между обыкновенной и необыкновенной
компонентами волн равнялась 900 или 1800..
Разность фаз 900 соответствует оптической разности хода
d no  ne    / 4
. Такую пластинку называют пластинкой в
четверть волны
Разность фаз 1800 соответствует оптической разности хода
d no  ne    / 2 . Такую пластинку называют
пластинкой в полволны.
Фазовая пластинка в четверть волны
Плоскополяризованный свет, пройдя пластинку  / 4 , на
выходе превращается в эллиптически поляризованный (в
частном случае циркулярно поляризованный).
С помощью этой пластинки свет, поляризованный по
кругу, можно преобразовать в линейно поляризованный
свет.
Фазовая пластинка в полволны
Если толщина пластинки равна нечетному числу полуволн
d no  ne   1  2m / 2 , то выходящая из кристаллической
пластинки световая волна остается линейно
поляризованной, как и исходная.
Циркулярно поляризованная волна после
прохождения пластинки в полволны
меняет направление вращения
светового вектора ( из
правополяризованного становится
левополяризованной.
Пластинки в полволны применяют для
поворота плоскости поляризации
Применение поляризации света
• Оценка фотоупругости (возникновение оптической
анизотропии в первоначально изотропных материалах под
действием механических нагрузок.
• На моделях деталей с искусственной анизотропией можно
выявить участки, на которые приходится наибольшая нагрузка
• Поляризационные устройства позволяют управлять световыми
потоками, записывать информацию, проводить оптические
исследования и измерения физических параметров
(поляриметрия)
• Поляризационные очки (поляроиды),
позволяющие убрать “блики” ( поляризованный свет,
отраженный от поверхности воды, льда …
Спасибо за внимание!