Файл: Рухляда Н.Я. Максимушкина А.В. Методичка лабораторные Оптика.pdf

Рассмотрим случай, когда монохроматический плоскополяризованный свет падает нормально на тонкую кристаллическую пластинку, вырезанную параллельно еѐ оптической оси (рис.2).

Рис.2.

Здесь S – источник света; П - поляризатор; K - кристаллическая пластинка, оптическая ось которой OO’; A – анализатор. В этом случаи оба луча (обыкновенный и необыкновенный) идут по одному направлению, но с разными скоростями.

Пусть плоскость колебаний светового вектора E в пучке, прошедшем через поляризатор, составляет угол α с оптической осью ОО’ кристаллической пластинки, где направление распространения перпендикулярно плоскости рисунка (рис.3).

Рис.3 В пластинке произойдет разделение падающего светового луча на два

плоскополяризованных с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации: в обыкновенном луче колебания светового вектора E0 будут происходить в направлении, перпендикулярном к главной плоскости (оси ОО’), а в необыкновенном луче Ee – в главной плоскости кристалла. Вследствие различных скоростей распространения обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле они приобретают некоторую разность фаз δ, которая зависит от оптической разности хода ∆ обоих лучей и длины волны λ:

Таким образом, на выходе из пластинки имеем два взаимно перпендикулярных и плоско поляризованных колебания с разностью фаз:

2 no ne d (2)

Если свет поляризован по кругу, то интенсивность света после анализатора не зависит от ориентации плоскости пропускания.

Если между поляризатором и анализатором находится пластинка в полволны, т.е. свет при выходе из пластинки оставался плоскополяризованным, то его интенсивность при вращение анализатора должна изменятся по закону Малюса.

Аппаратура

1 галогеновая лампа

1 рамка с фильтром

1 желтый светофильтр 1 Оптическая скамья, 1 м, со стандартным сечением 6 оптических насадок 1 фотоэлемент 1 поляризатор 1 анализатор

1 пластинка толщиной кратной λ/4

1 пластинка толщиной кратной λ/2

1 фотоэлемент

1 амперметр

1 полупрозрачный экран

Установка.

Схема экспериментальной установки показана на рис.5.

Дополнительно для тепловой защиты может использоваться фильтр, заполненный водой, (на рис.5, показан пунктирной линией), также он уменьшает инфракрасное излучение, приводящее к большому фоновому сигналу.

1.Установить галогеновую лампу (а) с отражающим зеркалом и установите фильтр и фото ползунок на чтобы корпус лампы.

2.Установить желтый светофильтр.

3.Установить поляризатор, волновые пластины и анализатор (рис.5) на оптическую скамью. Расстояние между поляризатором и галогенной лампой составляет от 20 см до

30 см.

4.Установить Si-фотоэлемент за анализатор и настроить путь луча, что бы фотоэлемент был хорошо освещен.

5.Получить резкое изображение спирали лампы на небольшом листе бумаги расположенном в центре ячейки фотоэлемента (g).

Полупрозрачный экран, изображенный на рис.5, используется для выполнения качественных экспериментов.

Рис.5. Схема установки. (a) лампа, (b) рамка с фильтром, (c) тепловой фильтр, (d) поляризатор, (e) волновые пластинки, (f) анализатор, (g) фотоэлемент, (h) полупрозрачный экран.

Во избежание повреждения оптических элементов от нагрева не устанавливайте их непосредственно вблизи лампы.

Выполнение работы

Упражнение 1. Проверка закона Малюса.

1.Убрать четвертьволновую пластинку, установите поляризатор в нулевое положение.

2.Измерьте интенсивность света как функцию от положения анализатора (от -900 до 900 с шагом 100).

3.Заполнить таблицу:

4.Построить график зависимости I/Imax от угла положения анализатора в полярных координатах.

Упражнение 2. Получение света поляризованного по эллипсу.

1.Установить анализатор в такое положение, чтобы интенсивность была минимальна

(рис.6а).

2.Установить четвертьволновую пластинку на оптическую скамью между поляризатором и анализатором (рис.6б).

3.Измерьте интенсивность света как функцию от положения четвертьволновой пластины (от -900 до 900 с шагом 100). Значения углов, при которых интенсивность минимальна промерить более тщательно. На рис.6в,г. показаны некоторые характерные случаи ориентации главной плоскости пластинки относительно плоскости поляризации.

4.Заполнить таблицу:

а)

б) в)

г) Рис.6. а,б,в,г.

5.Построить график зависимости I/Imax от угла положения пластины в полярных координатах.

6.Найти форму и ориентацию эллипса, описываемого вектором E при 2-ух положениях пластинки. Для этого поставить пластинку в положение, отличающееся на 200 от

положения, в котором наблюдался минимум. Измерить интенсивность света как функцию от положения анализатора (от -900 до 900 с шагом 100). Данные занести в таблицу и построить график в полярных координатах. Найти отношение полуосей эллипса и их ориентацию. Оси направлены по максимальной и минимальной хордам полученного графика. Отношение полуосей найти, извлекая квадратный корень из отношения длин хорд (фототок пропорционален интенсивности света, а интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды светового вектора).

7.Изменить положение пластины, повернув еѐ в ту же сторону ещѐ на 200 и повторить все измерения и обработку данных.

Упражнение 2. Получение света поляризованного по кругу.

В соответствие с формулой (5) свет окажется поляризованным по кругу, если на выходе из пластинки в четверть волны амплитуды и взаимно перпендикулярных колебаний равны. Это условие выполнимо, если угол между главной осью пластинки и плоскостью пропускания поляризатора составляет 450 (рис.4).

Сложить два угла, при которых наблюдались минимумы интенсивности (пункт 2 упражнения 2) и разделить пополам. Выставить пластинку на получившийся угол и измерить интенсивность света как функцию от положения анализатора (от -900 до 900 с шагом 100). Данные занести в таблицу и построить график в полярных координатах.

Упражнение 3. Полуволновая пластинка

1.Установить поляризатор на ноль

2.Установить полуволновую пластинку на угол φλ/2=300, 600, 450

3.Измерить интенсивность света как функцию от положения анализатора (от -900 до 900) для каждого положения пластины.

Контрольные вопросы

1.В чем суть явления, изучаемого в настоящей работе?

2.Рассказать о назначение каждого элемента экспериментальной установки. Какое явление лежит в основе устройства поляроидов? В чем суть двойного лучепреломления? Каково назначение кристаллической пластинки? Как вырезана пластинка относительно своей главной оси? Какое значение имеет толщина пластинки и ориентация главной оси плоскости пластинки на результат интерференции?

3.Как экспериментально обнаружить состояние поляризации света пропущенного через поляроид?

Литература

1.Савельев И.В. Курс общей физики. Том 4. Волны. Оптика. С-П.: Лань, 2011.

2.Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Физматлит, 2010.

3.Зисман Г.А.,Тодес О.М. Том 3. Оптика. Физика атомов и молекул. Физика атомного ядра и микрочастиц. С-П.: Лань, 2007.

4.Фриш С.Э.,Тиморева А.В. Том 3. Оптика. Атомная физика. С-П.: Лань, 2008.

5.Суханов А.Д. Фундаментальный курс физики. Том 2. Континуальная физика. М.:

Агар, 1998.

6.Иродов И.Е. Волновые процессы. М.: Лаборатория базовых знаний, 1999.

РАБОТА № 6

Определение длины волны света лазера с помощью интерферометра Майкельсона

Цель работы: приобрести навыки юстировки оптических систем на примере интерферометра Майкельсона, наблюдать интерференционную картину и определить длину волны лазера.

Теоретическая часть

Интерферометрия – чрезвычайно точный и чувствительный метод измерения длин волн, плотности среды, показателя преломления, толщин тонких пленок и покрытий и т. д.

Историческая справка

В 1881 году Майкельсон осуществил опыт, с помощью которого рассчитывал обнаружить движение Земли относительно эфира (эфирный ветер).

Схема интерферометра Майкельсона показана на рис.1

Рис.1. Схема интерферометра Майкельсона

Световой луч от источника S падает на полупрозрачную пластинку А, расположенную под углом 45о к направлению падающего луча; эта пластинка разделяет луч на два, идущих во взаимно перпендикулярных направлениях. Лучи АМ и АМ’ возвращаются в точку А, где вновь происходит разделение обоих пучков на две части. Часть света возвращается в источник, другая идет в направлении S’ , где и наблюдается интерференция. Картина интерференции определяется разностью хода обоих пучков. Если длины лучей АМ и АМ’ геометрически равны, то разность хода может возникнуть за счет разных времен прохождения отрезков АМ = АМ’ = l.

Предположим, что прибор установлен на Земле так, плечо АМ параллельно скорости Земли в эфире. Тогда луч, прошедший путь АМ туда и обратно, потратит на это время:

Предположим теперь, что свет проходит путь l перпендикулярно к направлению предполагаемого движения Земли в эфире. Тогда время t2 , в течение которого свет пройдет относительно Земли l = ab (рис.2).