Основные теоретические положения

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Филиал «Севмашвтуз» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт – Петербургский государственный морской технический университет»

В г. Северодвинске

 

 

 

Факультет: № 4

Кафедра: № 12

 

 

Лабораторная работа

Изучение поляризованного света полупроводникового лазера. Угол Брюстера. Закон Малюса

 

Г. Северодвинск

Лабораторная работа ФПО-2А4

 

Изучение поляризованного света полупроводникового лазера. Угол Брюстера. Закон Малюса

 

Цель работы

В работе изучается поляризованный свет полупроводникового лазера. Определяются разрешенные направления поляроидов. Находится угол Брюстера при падении лазерного света на стеклянную пластину. Определяется коэффициент преломления стекла. Проверяется справедливость закона Малюса.

 

Основные теоретические положения

Электромагнитные волны, как известно, поперечны. Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов источника. Атомы излючают волны независимо друг от друга, поэтому в световой волне, излучаемой телом, имеются колебания, совершающиеся в самых различных направлениях, перпендикулярных к лучу. В среднем, все направления вектора E равновероятны. (рис. 1а; луч перпендикулярен плоскости рисунка) Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е называется естественным.

В естественном свете колебания различных направлений быстро и беспорядочно сменяют друг друга. Это означает, что значения амплитуды и разности фаз у компонент Е_х и Е_у вектора электрического поля Е электромагнитной (световой) волны меняются случайным образом (волна распространяется по оси z). Если специально выделить одно из направлений вектора поля, свет становится поляризованным. (рис. 1в) Волна называется линейно поляризованной или плоскопараллельной, если электрический вектор Е лежит все время в одной плоскости, в которой расположена также нормаль к фронту волны. Эта плоскость называется плоскостью колебаний или плоскостью поляризации. В частично поляризованном свете существует преимущественное направление колебаний (рис. 1б), которое характеризуется эллиптичностью: .

Рис. 1. а б в

Обычно естественные источники излучения дают неполяризованный свет, но у лазерных источников излучения значение амплитуды и разности фаз у компонент Е_х и Е_у совпадают и всегда одинаковы.

Для выделения линейно поляризованного света на практике используют поляроиды. Поляроид – пленка, в которую вкраплен ультрамикрокристаллик дихроичного вещества. Пленка действует как один кристалл и поглощает световые колебания, электрический вектор которых перпендикулярен к оптической оси. Всякий прибор, служащий для получения поляризованного света, называется поляризатором. Тот же прибор, применяемый для исследования поляризованного света, называется анализатором. Направление оптической оси называется разрешённым направлением поляризатора.

Обычно естественные источники излучения дают неполяризованный свет, но у лазерных источников излучения значение амплитуды и разности фаз у компонент Е_х и Е_у вектора электрического поля Е волны не меняются. Это излучение частично поляризовано.

 

Рис.2 Падение луча лазера на границу раздела двух сред 1 и 2.

При падении на границу раздела двух сред плоской волны частоты ω и амплитуды , отраженная и преломленная волны и будут также плоские и той же частоты.

Степень поляризации и зависит от угла падения луча и показателя преломления. Физик Д. Брюстер установил, что при некотором угле падения φ = φ_Б отраженный свет является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения), а

 

Рис. 3

 

преломлённый луч поляризуется не полностью.

Таким образом, если электрический вектор падающей волны лежит в плоскости падения, то при некотором угле падения φ = φ_Б отраженный свет отсутствует.

При угле Брюстера направления прошедшего и отраженного лучей взаимно перпендикулярны (). Следовательно .

при показателе преломления среды n₁ =1, n₂ = n. То есть:

(1)

Это условие – закон Брюстера, а угол φ_Б называется углом Брюстера.

Рассмотрим еще одну особенность поляризованного света, которая проявляется в опыте (схема на рис. 3).

Два поляроида поставлены друг за другом так, что их разрешенные направления (оси ОА₁ и ОА₂) образуют некоторый угол а между собой. Первый поляроид пропустит свет, электрический вектор Е₀, которого параллелен его оси OA₁. Обозначим через I ₀ интенсивность этого света. Разложим Е₀ на вектор Е_II, параллельный оси ОА₂ второго поляроида, и вектор Е_┴, перпендикулярный к ней (E₀ = Е_II, + Е_┴). Составляющая Е_┴ будет задержана вторым поляроидом. Через оба поляроида (см. рис.5) пройдет свет с электрическим вектором Е = Е_II длина которого E = E₀сosa. Так как интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды Е, то интенсивность света, прошедшего через оба поляроида, будет

(2)

Это соотношение называется законом Малюса.