ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Реферат
Поляризация света.
Автор: Осипян Д.С.
АШТАРАК 1999
Ââåäåíèå
Óðàâíåíèÿ Ìàêñâåëëà. Ïðè íàëè÷èè ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ â ïðîñòðàíñòâå óñòàíàâëèâàåòñÿ âîçáóæäåííîå ñîñòîÿíèå, êîòîðîå íàçûâàþò ýëåêòðîìàãíèòíûì ïîëåì. Åãî ïðåäñòàâëÿþò âåêòîðàìè E è B, èìåíóåìûìè ñîîòâåòñòâåííî ýëåêòðè÷åñêèì âåêòîðîì è ìàãíèòíîé èíäóêöèåé. Äëÿ îïèñàíèÿ âëèÿíèÿ ïîëÿ íà ìàòåðèàëüíûå îáúåêòû íåîáõîäèìî ââåñòè âòîðóþ ãðóïïó âåêòîðîâ, à èìåííî ïëîòíîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà J, ýëåêòðè÷åñêîå ñìåùåíèå D è ìàãíèòíûé âåêòîð H. Ïðîñòðàíñòâåííûå è âðåìåííûå ïðîèçâîäíûå ïÿòè óêàçàííûõ âåêòîðîâ ñâÿçàíû óðàâíåíèåì Ìàêñâåëëà.
rot H = J+ D (1)
rot E= - B (2)
div B= 0 (3)
div D = 4 (4)
Óðàâíåíèÿ Ìàêñâåëëà (1)-(4) ñâÿçûâàþò ïÿòü îñíîâíûõ âåëè÷èí E, H, B, D è J. Ïðè çàäàííîì ðàñïðåäåëåíèè çàðÿäîâ è òîêîâ óðàâíåíèÿ äîïóñêàþò åäèíñòâåííîå ðåøåíèå, êîãäà ê íèì äîáàâëÿþòñÿ ñîîòíîøåíèÿ , îïèñèâàþùèå ïîâåäåíèÿ âåùåñòâ ïîä âëèÿíèåì ïîëÿ, ò.í. ìàòåðèàëüíûå óðàâíåíèÿ.  îáùåì ñëó÷àå îíè äîâîëüíî ñëîæíû, íî äëÿ òåë, ïîêîÿùèõñÿ äðóã îòíîñèòåëüíî äðóãà (èëè íàõîäÿòñÿ â ñîñòîÿíèè î÷åíü ìåäëåííîãî äâèæåíèÿ) è ñîñòîÿùèõ èç èçîòðîïíûõ âåùåñòâ, ýòè óðàâíåíèÿ ïðèíèìàþò îòíîñèòåëüíî ïðîñòóþ ôîðìó.
J =E (5)
D =E (6)
B =H (7)
Âåëè÷èíà íàçûâàåòñÿ óäåëüíîé ïðîâîäèìîñòüþ, - äèýëåêòðè÷åñêîé ïðîíèöàåìîñòüþ, à - ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòüþ.
Âîëíîíîå óðàâíåíèå. Ðàññìîòðèì ñëó÷àé îáëàñòè ïîëÿ, íå ñîäåðæàùåé íè çàðÿäîâ, íè òîíîâ ò.å. . Äèôôåðåíöèàëüíûå óðàâíåíèÿ, êîòîðûì äîëæíû óäîâëåòâîðÿòü êàæäûé èç âåêòîðîâ â îòäåëüíîñòè, ìîæíî ïîëó÷èòü ïóòåì èñêëþ÷åíèÿ îñòàëüíûõ âåêòîðîâ. Äëÿ îäíîðîäíîé ñðåäû ïîëó÷èì
E - E = 0 (8)
H - H = 0 (9).
Ýòî îáû÷íûå óðàâíåíèÿ âîëíîâîãî äâèæåíèÿ. Îíè îçíà÷àþò, ÷òî ñóùåñòâóåò ýëåêòðîìàãíèòíàÿ âîëíà, ðàñïðîñòðàíÿþùàÿñÿ ñî ñêîðîñòüþ
v = (10).
Ïîïåðå÷íîñòü ñâåòîâîé âîëíû. Èç ýëåêòðîìàãíèòíîé òåîðèè ñâåòà âûòåêàåò íåïîñðåäñòâåííî, ÷òî ñâåòîâàÿ âîëíà ïîïåðå÷íà. Âñÿ ñîâîêóïíîñòü çàêîíîâ ýëåêòðîìàãíåòèçìà è ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè êðàòêîå ìàòåìàòè÷åñêîå âûðàæåíèå êîòîðîé çàêëþ÷àåòñÿ â óðàâíåíèÿõ òåîðèè Ìàêñâåëëà, ïðèâîäÿò ê âûâîäó, ÷òî èçìåíåíèå âî âðåìåíè ýëåêòðè÷åñêîé íàïðÿæåííîñòè E ñîïðîâîæäàåòñÿ ïîÿâëåíèåì ïåðåìåííîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ H, íàïðàâëåííîãî ïåðïåíäèêóëÿðíî ê âåêòîðó E, è îáðàòíî. Òàêîå ïåðåìåííîå ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà âäîëü ëèíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîé âåêòîðàì E è H, îáðàçóÿ ýëåêòðîìàãíèòíûå, â ÷àñòíîñòè ñâåòîâûå, íîëíû. Ò.î. , òðè âåêòîðà E, H è ñêîðîñòü ðàñïðîñòðàíåíèÿ âîëíîâîãî ôðîíòà v âçàèìíî ïåðïåíäèêóëÿðíû è ñîñòàâëÿþò ïðàâîâèíòîâóþ ñèñòåìó; ò.å. ýëåêòðîìàãíèòíàÿ âîëíà ïîïåðå÷íà.
Ïîëÿðèçàöèÿ ñâåòà.
Åñòåñòâåííûé è ïîëÿðèçîâàííûé ñâåò. Åñòåñòâåííûé ñâåò åñòü ñîâîêóïíîñòü ñâåòîâûõ âîëí ñî âñåìè âîçìîæíûìè íàïðàâëåíèÿìè êîëåáàíèé, áûñòðî è áåñïîðÿäî÷íî ñìåíÿþùèìè äðóã äðóãà.
Ëèíåéíî- èëè ïëîñêîïîëÿðèçîâàííûé ñâåò ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñâåòîâûå âîëíû ñ îäíèì-åäèíñòâåííûì íàïðàâëåíèåì êîëåáàíèé ( åäèíñòâåííûé êðåñò E è H ), ò.å. âîëíû ñ âïîëíå óïîðÿäî÷åííûì íàïðàâëåíèåì êîëåáàíèé. Ñóùåñòâóþò è áîëåå ñëîæíûå âèäû óïîðÿäî÷åííûõ êîëåáàíèé, êîòîðûì ñîîòâåòñòâóþò èíûå òèïû ïîëÿðèçàöèé, íàïðèìåð êðóãîâàÿ èëè ýëëèïòè÷åñêàÿ ïîëÿðèçàöèè, ïðè êîòîðûõ êîíåö ýëåêòðè÷åñêîãî ( è ìàãíèòíîãî) âåêòîðà îïèñûâàåò êðóã èëè ýëëèïñ ñ òåì èëè èíûì ýêñöåíòðèñèòåòîì.
×àñòè÷íî ïîëÿðèçîâàííûé ñâåò õàðàêòåðèçóåòñÿ òåì, ÷òî îäíî èç íàïðàâëåíèé êîëåáàíèé îêàçûâàåòñÿ ïðåèìóùåñòâåííûì, íî íå èñêëþ÷èòåëüíûì.
Ðàñïðîñòðàíåíèå ñâåòà ÷åðåç òóðìàëèí. Âûðåæåì èç êðèñòàëëà òóðìàëèíà ïëàñòèíêó, ïëîñêîñòü êîòîðîé ïàðàëëåëüíà îäíîìó èç îïðåäåëåííûõ íàïðàâëåíèé êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè, íàçûâàåìîé îñüþ , è íàïðàâèì ñêâîçü ïëàñòèíêó ñâåò ïåðïåíäèêóëÿðíî ê ïîâåðõíîñòè ïëàñòèíêè. Îïûò ïîêàçûâàåò , ÷òî òóðìàëèí ïðåâðàùàåò åñòåñòâåííûé ñâåò â ëèíåéíî-ïîëÿðèçîâàííûé, çàäåðæèâàÿ ïîëîâèíó åãî, ñîîòâåòñòâóþùóþ òîé ñëàãàþùåé ýëåêòðè÷åñêîãî âåêòîðà, êîòîðàÿ ïåðïåíäèêóëÿðíà ê îñè êðèñòàëëà, òàê ÷òî çà êðèñòàëëîì îêàæóòñÿ âîëíû, íàïðàâëåíèå ýëåêòðè÷åñêîãî âåêòîðà êîòîðûõ ïàðàëëåëüíî îñè êðèñòàëëà. Êðèñòàëë , ò.î. , âûäåëÿåò èç ñâåòà ñî âñåâîçìîæíûìè îðèåíòàöèÿìè Å òó ÷àñòü, êîòîðàÿ ñîîòâåòñòâóåò îäíîìó îïðåäåëåííîìó íàïðàâëåíèþ E.
Ïîëÿðèçàöèÿ ïðè îòðàæåíèè è ïðåëîìëåíèè ñâåòà íà ãðàíèöå äâóõ äèýëåêòðèêîâ. ßâëåíèå ïîëÿðèçàöèè ñâåòà , ò.å. âûäåëåíèÿ ñâåòîâûõ âîëí ñ îïðåäåëåííîé îðèåíòàöèåé ýëåêòðè÷åñêîãî ( è ìàãíèòíîãî ) âåêòîðà èìååò ìåñòî è ïðè îòðàæåíèè èëè ïðåëîìëåíèè ñâåòà íà ãðàíèöå äâóõ èçîòðîïíûõ äèåëåêòðèêîâ.
Ïóñòü ïàðàëëåëüíûé ïó÷îê åñòåñòâåííîãî ñâåòà ïàäàåò íà ñòåêëÿííîå çåðêàëî. Îòðàæåííûé ñâåò èññëåäóåòñÿ ïðè ïîìîùè òóðìàëèíà. Ïîëÿðèçàöèÿ ñâåòà, îòðàæåííîãî îò äèýëåêòðèêà, îêàçûâàåòñÿ ÷àñòè÷íîé. Ïðè èçìåíåíèè óãëà íàêëîíà çåðêàëà ê ëó÷ó èçìåíÿåòñÿ äîëÿ ïîëÿðèçîâàííîãî ñâåòà . Ïðè îïðåäåëåííîì çíà÷åíèè óãëà (óãîë Áðþñòåðà) îòðàæåííûé ñâåò îêàçûâàåòñÿ ïîëíîñòüþ ïîëÿðèçîâàííûì. Âåëè÷èíà ýòîãî óãëà ïîëíîé ïîëÿðèçàöèè çàâèñèò îò îòíîñèòåëüíîãî ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ n è îïðåäåëÿåòñÿ, êàê óñòàíîâèë Áðþñòåð, ñîîòíîøåíèåì
tg=n (11).
Èññëåäîâàíèå ïîêàçûâàåò, ÷òî ýëåêòðè÷åñêèé âåêòîð â îòðàæåííîì ñâåòå â ñëó÷àå ïîëíîé ïîëÿðèçàöèè êîëåáëåòñÿ ïåðïåíäèêóëÿðíî ê ïëîñêîñòè ïàäåíèÿ.
Ïðåëîìëåííûé ñâåò òàêæå ÷àñòè÷íî ïîëÿðèçîâàí è ïðèòîì òàê, ÷òî êîëåáàíèÿ ïðîèñõîäÿò ïðåèìóùåñòâåííî â ïëîñêîñòè ïàäåíèÿ. Ïðè ïàäåíèè ïîä óãëîì Áðþñòåðà ïîëÿðèçàöèÿ ïðåëîìëåííûõ ëó÷åé ìàêñèìàëüíàÿ, íî äàëåêî íå ïîëíàÿ (äëÿ îáû÷íîãî ñòåêëà îíà ñîñòàâëÿåò îêîëî 15%).
Äâîéíîå ëó÷åïðåëîìëåíèå è ïîëÿðèçàöèÿ ïðè ïðîõîæäåíèè ÷åðåç êðèñòàëë èñëàíäñêîãî øïàòà. Åñëè íà êðèñòàëë èñëàíäñêîãî øïàòà () ïàäàåò óçêèé ïó÷îê ñâåòà, òî, ïðåëîìëÿÿñü, îí äàåò äâà ïó÷êà íåñêîëüêî ðàçëè÷íîãî íàïðàâëåíèÿ. Åñëè ïàäàþùèé ïó÷îê äîñòàòî÷íî óçîê, à êðèñòàëë äîñòàòî÷íî òîëñò, òî èç íåãî âûõîäÿò äâà ïó÷êà, ïàðàëëåëüíûõ ïåðâîíà÷àëüíîìó è âïîëíå ðàçäåëåííûõ ïðîñòðàíñòâåííî. Îäèí èç ëó÷åé íàçûâàþò îáûêíîâåííûì (î), à äðóãîé – íåîáûêíîâåííûì (å).
 êðèñòàëëå èñëàíäñêîãî øïàòà ñóùåñòâóåò îäíî íàïðàâëåíèå , âäîëü êîòîðîãî îáà ïðåëîìëåííûõ ëó÷à ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ íå ðàçäâàèâàÿñü è ñ îäíîé ñêîðîñòüþ. Íàïðàâëåíèå ýòî ïðèíÿòî íàçûâàòü îïòè÷åñêîé îñüþ êðèñòàëëà. Ïëîñêîñòü , ïðîõîäÿùàÿ ÷åðåç îïòè÷åñêóþ îñü è âîëíîâóþ íîðìàëü ðàñïðîñòðàíÿþùèõñÿ âîëí, íîñèò íàçâàíèå ãëàâíîé ïëîñêîñòè.
Ïóñòü ñâåòîâîé ïó÷îê íîðìàëüíî ïàäàåò íà åñòåñòâåííóþ ãðàíü êðèñòàëëà. Èç êðèñòàëëà âûéäóò äâà ëó÷à , ëåæàùèå â ãëàâíîé ïëîñêîñòè è ïàðàëëåëüíûõ ïàäàþùåìó. Îáà ëó÷à âïîëíå ïîëÿðèçîâàííû âî âçàèìîïåðïåíäèêóëÿðíûõ íàïðàâëåíèÿõ. Êîëåáàíèÿ âåêòîðà îáûêíîâåííîé âîëíû ïðîõîäÿò ïåðïåíäèêóëÿðíî ê ãëàâíîé ïëîñêîñòè, à íåîáûêíîâåííîé – â ãëàâíîé ïëîñêîñòè.
Ýëëèïòè÷åñêàÿ è êðóãîâàÿ ïîëÿðèçàöèÿ ñâåòà. Ðàññìîòðèì ðåçóëüòàò ñëîæåíèÿ äâóõ êîãåðåíòíûõ ñâåòîâûõ âîëí, ïîëÿðèçîâàííûõ â äâóõ âçàèìíî ïåðïåíäèêóëÿðíûõ íàïðàâëåíèÿõ, èìåþùèõ ðàçíóþ àìïëèòóäó è îáëàäàþùèõ íåêîòîðîé ðàçíîñòüþ ôàç. Ìû ëåãêî ìîæåì îñóùåñòâèòü ïîäîáíûé ñëó÷àé íà îïûòå. Ñâåò îïðåäåëåííîé äëèíû âîëíû , ïðîøåäøåé ÷åðåç ïîëÿðèçàòîð, ïðîïóñòèì ÷åðåç êðèñòàëëè÷åñêóþ ïëàñòèíêó òîëùèíû d , âûðåçàííóþ èç îäíîîñíîãî êðèñòàëëà ïàðàëëåëüíî åãî îïòè÷åñêîé îñè (ðèñ 1) , ïðè÷åì äîïóñòèì, ÷òî íàïðàâëåíèå ïó÷êà ïåðïåíäèêóëÿðíî ê áîêîâîé ïîâåðõíîñòè ïëàñòèíêè.
Ðèñ. 1.
Ñêâîçü ïëàñòèíêó áóäóò ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ â îäíîì íàïðàâëåíèè, íî ñ ðàçíîé ñêîðîñòüþ äâå âîëíû, ïîëÿðèçîâàííûå â äâóõ âçàèìîïåðïåíäèêóëÿðíûõ íàïðàâëåíèÿõ, êîòîðûå ïðèíÿòî íàçûâàòü ãëàâíûìè íàïðàâëåíèÿìè êðèñòàëëè÷åñêîé ïëàñòèíêè. Ó îäíîé èç âîëí ýëåêòðè÷åñêèå êîëåáàíèÿ íàïðàâëåííû âäîëü îïòè÷åñêîé îñè êðèñòàëëà, íàïðèìåð ïî CC ( íåîáûêíîâåííûé ëó÷, ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ ) , ó äðóãîé – ïåðïåíäèêóëÿðíî ê îñè , ò.å. ïî BB ( îáûêíîâåííûé ëó÷, ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ ).
Åñëè íàïðàâëåíèå êîëåáàíèé ýëåêòðè÷åñêîãî âåêòîðà â ïàäàþùåì ïîëÿðèçîâàííîì ñâåòå ñîñòàâëÿåò óãîë a ñ îäíèì èç ãëàâíûõ íàïðàâëåíèé ïëàñòèíêè, òî àìïëèòóäû êîëåáàíèé â íåîáûêíîâåííîé è â îáûêíîâåííîé âîëíàõ áóäóò ñîîòâåòñòâåííî ðàâíû
,
ãäå - àìïëèòóäà ïàäàþùåé âîëíû. Ïðîéäÿ ÷åðåç ÷åðåç òîëùó ïëàñòèíêè , ýòè äâå âîëíû ïðèîáðåòóò ðàçíîñòü õîäà , ðàâíóþ . Ñëåäîâàòåëüíî, îáûêíîâåííàÿ âîëíà îòñòàåò ïî ôàçå îò íåîáûêíîâåííîé íà íà âåëè÷èíó