Цель работы:
1. Изучить явление двойного лучепреломления.
2. Определить зависимость интенсивностей обыкновенного и необыкновенного лучей от угла между плоскостью поляризации падающего света и плоскостью выходящих лучей.
Приборы и принадлежности: источник света, поляризатор со шкалой, позволяющей фиксировать положение его оси, двулучепреломляющая призма, фотоприемник.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Явление двойного лучепреломления заключается в том, что упавшая на кристалл волна внутри кристалла разделяется на две волны, распространяющиеся в общем случае в различных направлениях, с различными скоростями и имеющие различную поляризацию. Это явление наблюдается лишь в анизотропных средах и возникает вследствие зависимости скорости света от направления светового вектора волны. У двоякопреломляющих веществ имеются одно или два направления, вдоль которых свет с любым направлением светового вектора распространяется с одной и той же скоростью. Эти направления называются оптическими осями. Для кристаллов с одной оптической осью (одноосных кристаллов) плоскость, проходящая через оптическую ось и световой луч называется главной плоскостью. Скорость одной из волн в таких кристаллах не зависит от направления её распространения. Эта волна называется обыкновенной, плоскость её колебаний перпендикулярна главной плоскости. У другой волны, которая называется необыкновенной, световой вектор лежит в главной плоскости, а её скорость зависит от направления распространения. Ход обыкновенного и необыкновенного лучей можно найти из построения Гюйгенса, на подробностях которого мы останавливаться не будем.
|
|
Рассмотрим нормальное падение поляризованного света на поверхность пластинки, вырезанной параллельно оптической оси Y (рис.1). Падающий на пластинку свет представим как совокупность двух волн, поляризованных вдоль оптической оси и перпендикулярно к ней. Первая из этих волн необыкновенная, вторая – обыкновенная. В пластинке обе волны распространяются в одном направлении, но с различными скоростями. Пройдя через пластинку толщиной d,волны приобретут дополнительную разность хода d×(n0 - ne), где n0 и ne – показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно. Тогда на выходе из пластинки разность фаз между двумя рассматриваемыми волнами будет равна
 .
| (1) |
Здесь l – длина волны; 
- разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами в момент падения на пластинку.
После выхода из пластинки обыкновенный и необыкновенный лучи, складываясь, дают в общем случае свет эллиптической поляризации. Покажем это.
Для упрощения рассмотрения данного вопроса предположим, что 
. Обозначим амплитуду колебаний обыкновенного луча через a, а необыкновенного – через b (рис.1).
Рис. 1
Тогда колебания обыкновенного и необыкновенного лучей могут быть представлены в виде:
 ,
| (2) |
 ,
| (3) |
где 
– циклическая частота электромагнитной волны, а 
– разность фаз, возникающая между лучами при прохождении ими кристаллической пластинки.
Выразим из (2) 
:
 .
| (4) |
Перепишем (3) в виде:
| (5) |
С учётом (4) равенство (5) примет вид:
| (6) |
Запишем равенство:
| (7) |
Возведём в квадрат левые и правые части равенств (6) и (7) и почленно просуммируем:
|
|
| (8) |
Как следует из (8), при прохождении через кристаллическую пластинку линейно поляризованный свет становится, в общем случае, эллиптически поляризованным.
Ориентация осей эллипса и соотношение между ними будут зависеть от поляризации падающего на пластинку света, толщины и ориентации пластинки.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Собирается установка по схеме. Для начала полезно добиться простого визуального наблюдения, во-первых, самого наличия двух лучей, выходящих из призмы. Для этого нужно расположить призму так, чтобы оба выходящих луча падали на экран, находящийся на некотором удалении от призмы. Во-вторых, нужно предварительно убедиться в наличии следующего эффекта: при вращении поляризатора происходит периодическое изменение интенсивности как обыкновенного, так и необыкновенного лучей, причем положение наименьшей интенсивности обыкновенного луча соответствует положению наибольшей интенсивности необыкновенного луча и наоборот.
2. Изучить теорию явления двойного лучепреломления и из геометрических соображений определить, какой из лучей является обыкновенным, а какой необыкновенным.
3. Поместить фотоприемник на место выхода из призмы обыкновенного луча. Вращая поляризатор, записывать соответствующие показания измерительного прибора. Измерения делать через каждые 10 градусов от 0 до 180 градусов, произвести всего 19 измерений.
4. Переместить фотоприемник на место выхода из призмы необыкновенного луча. Произвести измерения для тех же значений угла поляризатора, что и в предыдущем пункте.
|
|
5. Занести полученные данные в таблицу 1. Затем по данным таблицы построить графики зависимости напряжения на фотоэлементе от угла поворота поляризатора для обыкновенного и необыкновенного лучей. На одном рисунке должны быть изображены обе кривые.
Таблица 1
 , град
| … | |||
| U,мА (обыкн.) опп()(обыкно) | ||||
| U,мА (необыкн.) |
6. Произвести анализ полученных кривых. Установить, что суммарная интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей не зависит от угла поворота поляризатора.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Естественный и поляризованный свет. Степень поляризации.
2. Поляризация света при прохождении через кристаллы. Закон Малюса.
3. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков. Закон Брюстера.
4. Поляризующие устройства. Двойное лучепреломление.
5. Искусственная оптическая анизотропия.
6. Вращение плоскости поляризации.