Изучение явления поляризации света. Проверка закона Малюса. Теория измерений и принципиальная схема установки

Изучение явления поляризации света.

Проверка закона Малюса.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Из электромагнитной теории света известно что световая волна поперечна: электрический вектор Е и магнитный Н взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной вектору скорости Iв рассматриваемой точке поля (рис. 1).

Рис.1. Электромагнитная волна: а - ориентация векторов E, H, V  для момента времени t =  0; б - для момента времени t = T.

Основной характеристикой электромагнитной волны является вектор Е.

       Свет со всевозможными ориентациями вектора Е  называют естественным, а свет, в котором вектор Е колеблется по прямой линии, - плоскополяризованным или линейно поляризованным. Если какие-то колебания вектора Е предпочтительны, то свет частично поляризован (рис. 2.).

Рис.2. Схематическое представление света:

а - естественного, б - частично поляризованного, б – плоскополяризованного (направление распространения света перпендикулярно плоскости  рисунка, а стрелками показаны амплитуды колебаний вектора Е).

Для получения плоскополяризованного света из естественного или частично поляризованного используются специальные устройства, называемые поляризаторами. Их действие основывается на поляризации света при его отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектрических сред, а также на явлениях двойного лучепреломления и дихроизма в анизотропных кристаллах. Те же устройства используются в качестве анализатора, т.е. для определения характера и степени поляризации света. Поляризатор (или анализатор) пропускает световые колебания, параллельные плоскости, которую называют главной плоскостью поляризатора (или анализатора). Колебания, перпендикулярные этой плоскости, полностью задерживаются. Интенсивность частично поляризованного света I , прошедшего через анализатор который вращают вокруг направления луча, меняется в пределах от I_min до I_max . Переход от одного из этих значений к другому наблюдается при повороте анализатора на угол p/2. Величину Р , определяемую формулой

                                                                         (1)

называют степенью поляризации. В частности, для естественного света I_min = I_max. и Р = 0 для плоскополяризованного света – I_min = 0 и P=1.

Пусть на анализатор падает плоскополяризованный свет, полученный с помощью поляризатора и имеющий интенсивность I_P. Главные плоскости анализатора (а-а) и поляризатора (р-р) составляют между собой угол j (рис.3). Интенсивность I_a света, прошедшего через анализатор, прямо пропорциональна I_P и зависит от угла j. Пусть Е_р - амплитуда электрического вектора плоскополяризованного света, прошедшего через поляризатор. На входе в  анализатор падающий свет можно представить в виде двух волн, поляризованных в главной плоскости анализатора и в перпендикулярной к ней плоскости. Амплитуды Е₁ и Е₂ электрических векторов этих волн равны соответствующим составляющим вектора Е_Р, так что

                         (2)

Волна, электрический вектор которой Е₁ колеблется вдоль направления, перпендикулярного а-а и амплитудой Е₁ (2), не проходит через анализатор. Волна, электрический вектор которой Е₂ колеблется вдоль направления а-а с амплитудой Е₂ (2) проходит через анализатор.

Если анализатор абсолютно прозрачен для второй волны, то амплитуда света, выходящего из анализатора, равна

а интенсивность I_a этого света, пропорциональная E_a² будет связана о I_P и j соотношением

                                        (3)

Это соотношение (3) носит название закона Малюса.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Постановка задачи

Согласно закона Малюса интенсивность света, прошедшего через анализатор, прямо пропорциональна cos²j (j - угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора). Поэтому для проверки закона Малюса необходимо исследовать зависимости

I_a = I_P(j)         и           I_a = I_P(cos²j).

Теория измерений и принципиальная схема установки

Для проверки закона Малюса собрана установка на основе поляризационно-оптического микроскопа МП-3 (рис.4)  в которой угол j изменяется путём вращения анализатора. Изменение угла j приводит к изменению интенсивности света, вышедшего из анализатора.

Для измерения интенсивности света используется явление фотоэлектрического эффекта. Для этого под предметным столиком микроскопа укрепляется фотосопротивление, В темноте фотосопротивление (полупроводник) обладает небольшой (темновой) проводимостью, При освещении фотосопротивлений, соединенных с гальванометром и источником напряжении, наблюдается ток, величина которого пропорциональна приложенному напряжению (рис,5) и интенсивности падающего света (рис.6). Причем при слабом освещении фототок почти пропорционален интенсивности падающего света, а при сильном освещении эта зависимость носит нелинейный характер.

Нелинейность световой характеристики объясняется тем, что внутренний фотоэффект сопровождается рядом обычных явлений, среди которых основную роль играет процесс рекомбинации, т.е. возвращение электронов в нормальное состояние. Как только освещение фотосопротивлений прекращается, ток спадает