Лабораторная работа № 7 Поляризатор и анализатор

Цель работы: изучить свойства поляризатора и анализатора, проверить выполнение закона Малюса.

Оборудование: ЛКО-5 (модули:10,12; объект: 37).

Краткие теоретические сведения

Пусть электромагнитная волна (свет) распространяется вдоль координатной оси z (рис.7.1). В силу поперечности электромагнитной волны, напряженность электрического поля (вектор Е) колеблется в плоскости х, у. Если ориентация вектора Е меняется хаотично, свет называют неполяризованным или естественным. Если ориентация вектора Е изменяется упорядоченно, свет называют поляризованным. Промежуточный случай - частично поляризованный свет.

Различают следующие виды поляризации:

Линейная или плоская поляризация: в заданной точке пространства конец вектора Е движется по прямой линии, перпендикулярной направлению распространения света. Если изобразить «мгновенную фотографию» векторов Е, начинающихся на одном луче (ось z на рис.6.1), то все эти векторы окажутся в одной плоскости, называемой плоскостью поляризации света.

Эллиптическая поляризация (в частном случае круговая): конец вектора Е движется по эллипсу (в частности - по окружности). Линейную поляризацию также можно считать частным случаем эллиптической поляризации. Волну с эллиптической поляризацией можно представить как суперпозицию двух волн с линейными поляризациями (рис.7.2)

В зависимости от соотношения амплитуд Е_mx, Е_my и от разности фаз  колебаний компонент Е_x и Е_y получаются различные виды поляризации.

Линейная: E_x=0 или E_y=0 или =m.

Эллиптическая: Е  О; Е_y  0;   m.

Круговая: амплитуды колебаний Е_x и E_y одинаковы,E_mx = E_mx, = /2.

Неполяризованный свет: амплитуды Е_mx и E_my одинаковы, при этом  хаотически изменяется в широких пределах, т.е. колебания Е_mx и Е_my некогерентны. В этом случае все направления в плоскости х, у эквивалентны.

Если E_mx  E_my и колебания E_mx и E_my некогерентны, получаем свет с частичной поляризацией, который можно представить как суперпозицию поляризованного света с интенсивностью I_пол и естественного света с интенсивностью I_ест (рис.7.3):

I = I_пол + I_ест (7.0)

Степенью поляризации Р частично поляризованного света называется доля поляризованного света в полной интенсивности излучения:

(7.1)

Для поляризованного излучения Р =1, для естественного света Р =0. Измерять Р можно с помощью поляризатора-анализатора.

Лампы накаливания, люминесцентные излучатели, газоразрядные и многие другие источники света дают неполяризованный (естественный) свет. Свет с линейной поляризацией дают некоторые типы лазеров. Используя различные оптические явления и (или) анизотропные материалы (кристаллы) можно из естественного света получить свет с желаемой поляризацией.

Поляризатор - прибор, пропускающий излучение с определенным направлением колебаний вектора Е (это направление называют плоскостью поляризатора) и задерживающий излучение с другими направлениями колебаний. Если на поляризатор падает линейно поляризованный свет с вектором напряженности Е, и плоскость поляризации света составляет угол  с плоскостью поляризатора, то в волне, прошедшей через идеальный поляризатор, останется только компонента Е₁ , параллельная плоскости поляризатора (рис.7.4):

Е₁ = Е cos ; E₂ = 0.

Поскольку интенсивность пропорциональна среднему квадрату напряженности, то для интенсивности линейно поляризованного света, прошедшего через идеальный поляризатор, получаем соотношение, называемое законом Малюса:

I₁ = Iсоs² . (7.2)

При падении на поляризатор естественного света, в прошедшей волне останется одна из компонент колебаний, параллельная плоскости поляризатора, т.е. естественный свет превращается в линейно поляризованный. Интенсивности, соответствующие ортогональным колебаниям, в естественном свете одинаковы, и каждая из них равна половине общей интенсивности I_ест После поляризатора имеем волну с интенсивностью одной из ортогональных компонент:

(7.3)

При падении на поляризатор частично поляризованного света интенсивность прошедшего света зависит от ориентации поляризатора более сложно. Обращаясь к рис.7.3 и учитывая (7.2) и (7.3), найдем:

При =0 интенсивность максимальна, при =/2 - минимальна:

Поворачивая идеальный поляризатор вокруг оси z и измеряя интенсивность прошедшего света, можно найти степень поляризации падающего света:

(7.4)

Неидеальный поляризатор имеет коэффициент пропускания k₁ < 1 для колебаний, параллельных плоскости поляризатора, и коэффициент пропускания k₂ < k₁ для колебаний, перпендикулярных ей. Естественный свет по прохождении через такой поляризатор становится частично поляризованным со степенью поляризации

(7.5)

Анализатор - так часто называют поляризатор, используемый для анализа поляризации излучения.

Порядок выполнения работы

Упражнение № 1 Оценка качества поляризации.

Установите на излучателе линзу-насадку, уставите фотодатчик в столе, подключите датчик к микроамперметру. Подберите расстояние от излучателя до фотодатчика так, чтобы показания микроамперметра были не менее 300 единиц младшего разряда.

Установите сразу после излучателя поляризатор (объект 37) в кассете поворотного держателя (модуль 10). Подберите ориентацию поляризатора по максимуму показаний микроамперметра.

Установите перед фотодатчиком поляризатор в поворотном держателе (модуль 12). Подбирая ориентацию поляризатора, зафиксируйте минимальное I_min и максимальное I_max показания микроамперметра. Перекройте рукой пучок излучения и зафиксируйте фоновый отсчёт I_фон

I_min= мкА; I_max= мкА; I_фон= мкА.

При прохождении через такой поляризатор естественного света получим свет со степенью поляризации не менее

= .

Упражнение № 2. ЗАКОН МАЛЮСА.

Не меняя схему опыта, снимите зависимость фототока от ориентации поляризатора (модуль 12) с шагом 15 во всём диапазоне поворотного держателя. Постройте график зависимости I=F(cos²), сопоставьте полученный результат эксперимента с законом Малюса (7.2) и сделайте вывод.

Таблица.7.1

,град
I,мкА
соs
cos^2

Упражнение № 3 СТЕПЕНЬ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА.

Снимите первый по ходу луча поляризатор (объект 37) и повторите измерения аналогично упражнению № 1. Определите минимальную I_min и максимальную I_max интенсивности. Не забывайте учитывать фон (отсчет интенсивности при перекрытом пучке). Определите степень поляризации света, прошедшего через входной поляризатор.

I_min= мкА; I_max= мкА; I_фон= мкА.

Степень поляризации излучения лазера:

= .

Результат достоверен, если (1-Р_поляр)  (1-Р_лазера).