Поляризатор и анализатор. Закон Малюса в идеальном случае

И с учетом потерь в поляризаторе и анализаторе.

Получение и анализ линейно поляризованного света осуществляется с помощью поляризаторов. Поляризатор – устройство для получения поляризованного света. Рассмотренные нами устройства: стопа Столетова, поляризационные призмы, поляроиды – относятся к поляризаторам. Общее свойство всех идеальных поляризаторов: они свободно пропускают только такой свет, в котором колебания светового вектора параллельны некоторой плоскости. Эта плоскость называется плоскостью пропускания поляризатора (или главной плоскостью поляризатора). Колебания светового вектора, перпендикулярные этой плоскости, поляризаторы задерживают (не пропускают). Поляризатор может использоваться и для анализа поляризованного света. Тогда он называется анализатором.

Если пучок естественного света (излучаемый любым нелазерным источником) направить по нормали на поляризатор, то на выходе из поляризатора свет окажется плоско поляризованным (рис. 6.3.8, а).

Естественный свет можно представить как суперпозицию двух плоских некогерентных волн одинаковой интенсивности, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. При прохождении через поляризатор одна из этих волн полностью гасится поляризатором, а вторая проходит без изменений. Следовательно, интенсивность естественного света I_ест после прохождения через идеальный поляризатор уменьшается в два раза:

, (6.3.3)

где I – интенсивность света на выходе из поляризатора.

Пусть на поляризатор падает плоско поляризованный свет (значит, поляризатор в данном случае будет являться анализатором, рис. 6.3.8, б). Плоскость поляризации света составляет угол j с плоскостью пропускания поляризатора. Световой вектор в точках падающего луча можно представить в виде где вектор лежит в плоскости пропускания поляризатора, а перпендикулярен ей (рис. 6.3.8, в). Поляризатор пропускает лишь колебания вектора . Очевидно, амплитуда этих колебаний связана с амплитудой падающего света соотношением Переходя к интенсивностям, получаем закон Малюса: если на поляризатор падает плоско поляризованный свет интенсивности I₀, то интенсивность прошедшего света

(6.3.4)

где j – угол между плоскостью поляризации падающего света и плоскостью пропускания поляризатора.

Рис. 6.3.8. Прохождение естественного и поляризованного света через поляризатор

Таким образом, если естественный свет интенсивностью I_ест пропустить через идеальный поляризатор, а затем через идеальный анализатор, то интенсивность прошедшего света I можно найти по формуле:

. (6.3.5)

Неидеальность поляризатора и анализатора может быть связана с потерями интенсивности света, возникающими из-за отражения и поглощения света веществами, из которого изготовлены поляризатор и анализатор. Пусть k₁ – относительная потеря интенсивности света в поляризаторе. Если естественный свет интенсивностью I_ест пропустить через поляризатор, то интенсивность I₀ вышедшего поляризованного света найдем по формуле (6.3.3), и с учетом потерь в поляризаторе запишем:

. (6.3.6)

Теперь поляризованный свет интенсивностью I₀ пропустим через анализатор. Интенсивность вышедшего света определим по закону Малюса (6.3.4), в который в качестве I₀ подставим (6.3.6). Пусть k₂ – относительная потеря интенсивности света в анализаторе. Тогда интенсивность поляризованного света I, прошедшего через поляризатор и анализатор, с учетом потерь будет равна:

. (6.3.7)

Двойное лучепреломление, характерное для оптически анизотропных кристаллов, может возникнуть и в веществах, от природы оптически изотропных, но в которых под действием внешних полей выделяется определенное направление. Тогда оно называется искусственным двойным лучепреломлением или и скусственной оптической анизотропией.

Многие оптически изотропные вещества состоят из анизотропных молекул или других структурных элементов, ориентированных в пространстве хаотическим образом. В результате какого-либо внешнего воздействия, создающего в пространстве физически выделенное направление, вещество может стать макроскопически анизотропным.

Брюстером в 1815 г. было открыто двойное лучепреломление при механических деформациях. При одностороннем растяжении или сжатии прозрачного изотропного тела, например, стекла, направление деформации становится выделенным и играет роль оптической оси (рис. 6.3.9, а). Опыт показывает, что разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей n_o - n_е, являющаяся мерой анизотропии, пропорциональна величине механического напряжения, возникающему в теле, Р = F/S = F/lh, т.е. величине силы, приходящейся на единицу площади: n_o - n_е = k Р, где k - константа вещества, причем эта разность может иметь разный знак в зависимости от вещества. Кроме того, n_o и n_e зависят от длины волны света, вследствие чего при наблюдении в белом свете деформированное тело между скрещенными поляризаторами оказывается пестро раскрашенным. Распределение окраски служит хорошим качественным признаком распределения напряжений в теле. Это находит применение при исследовании распределений механических напряжений в сложных конструкциях.

Рис 6.3.9. Искусственная оптическая анизотропия

Чрезвычайно важное в науке и технике значение имеет возникновение оптической анизотропии во внешнем электрическом поле. Это явление, которое можно наблюдать в жидкостях и газах, было открыто Керром в 1875 году. Схема наблюдения эффекта Керра приведена на рис. 6.3.9, б. Заполненный исследуемым веществом конденсатор помещают между скрещенными поляризаторами Р₁ и Р₂, поэтому в отсутствие напряжения на конденсаторе свет через систему не проходит. При подаче на конденсатор напряжения между его обкладками возникает электрическое поле, вследствие чего вещество становится оптически анизотропным с оптической осью, направленной вдоль поля. Выходящий из конденсатора свет оказывается эллиптически поляризованным и частично проходит через анализатор Р₂. С помощью компенсатора К можно измерить разность фаз, возникающую между обыкновенным и необыкновенным лучами и тем самым определить разность показателей преломления n _е – n _о исследуемого вещества в электрическом поле. Опыт показывает, что

n _е – n _о = КЕ²,

где К – коэффициент пропорциональности, Е – модуль напряженности электрического поля.

Разность фаз, приобретаемая лучами на пути l

где В = К/l – постоянная Керра, характеризующая вещество. Ее значения для разных веществ меняются в широких пределах. Наибольшим значением постоянной Керра обладает нитробензол, что широко используется в технических приложениях эффекта Керра. Если, например, конденсатор имеет длину l = 5 см и расстояние между его обкладками d = 1 мм, то при напряжении на конденсаторе U = 1500 В разность фаз необыкновенного и обыкновенного лучей примет значение j = p/2. У других жидкостей и газов В значительно меньше, чем у нитробензола. Для большинства веществ постоянная Керра положительна, хотя для некоторых веществ (спирт, этиловый эфир) B < 0.

С молекулярной точки зрения причиной оптической анизотропии вещества в электрическом поле является анизотропия самих молекул. Такие анизотропные молекулы в поле световой волны обнаруживают большую или меньшую поляризуемость в зависимости от их ориентации к световому вектору волны. Однако в обычных условиях молекулы среды расположены хаотически, так что при распространении в среде волны с любым направлением светового вектора она будет в среднем встречать одинаково ориентированные молекулы. Как следствие среда макроскопически ведет себя как изотропная. Наложение достаточно сильного электрического поля вызывает преимущественную ориентацию молекул; некоторое направление в среде оказывается направлением с большей поляризуемостью, чем другие, и среда становится анизотропной.

Большое прикладное значение эффекта Керра обусловлено его малой инерционностью (~ 10^–10 с). Ячейка Керра, т.е. конденсатор с жидкостью, помещенный между скрещенными поляризаторами, может служить в качестве быстродействующих затворов и модуляторов света. Керровские затворы и модуляторы света применяются для управления работой лазеров, скоростной фотосъемки, оптической локации, модуляции сигналов в системах оптической связи.

Эффект, аналогичный эффекту Керра, наблюдается и в магнитном поле. В сильном магнитном поле среда ведет себя как одноосный кристалл с оптической осью, параллельной индукции внешнего магнитного поля. Разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей определяется выражением

n _е – n _о = DB² ,

где В – индукция магнитного поля, D – коэффициент пропорциональности.

Дата добавления: 2021-04-06; просмотров: 846; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!