Інтерференція поляризованого світла

Автор: Пользователь скрыл имя, 21 Декабря 2010 в 19:57, курсовая работа

Описание работы

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.

Работа содержит 1 файл

Інтерференція поляризованого світла.docx

— 88.23 Кб (Скачать)

     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 ίВ (кут Брюстера), що визначається співвідношенням:

           tg ίB = 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 ίВ 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 ίB = sin ίB/cos ίB, n21 = sin ίB/sin ί2, де ί2 – кут заломлення, звідки cos ίB= sin ί2 . Отже, ίB + ί2 = π/2, але ίB = 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 

Информация о работе Інтерференція поляризованого світла