Xreferat.com » Рефераты по физике » Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль

Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль

Реферат по фізиці

на тему:

Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль

Зміст


Поляризація світла

1. Властивості електромагнітних хвиль

2. Поляризація світла. Види поляризованого світла

3. Поляризатори. Закон Малюса

4. Явище подвійного променезаломлення

5. Хвилеві поверхні

6. Побудова Гюйгенса

7. Пластинки Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль і Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль

Експериментальна частина

1. Установка

2. Вимірювання

Література


Поляризація світла


1. Властивості електромагнітних хвиль


Електромагнітною хвилею називається змінне електромагнітне поле, що розповсюджується в просторі. Електромагнітна хвиля характеризується векторами напруженості Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль електричного і індукції Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль магнітного полів.

Можливість існування електромагнітних хвиль обумовлена тим, що існує зв'язок між змінними електричним і магнітним полями. Змінне магнітне поле створює вихрове електричне поле. Існує і зворотне явище: змінне в часі електричне поле породжує вихрове магнітне поле.

Електромагнітні хвилі залежно від довжини хвилі Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль (або частоти коливань Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль) розділені умовно на наступні основні діапазони: радіохвилі, інфрачервоні хвилі, рентгенівські промені, видимий спектр, ультрафіолетові хвилі і гамма - промені. Таке розділення електромагнітних хвиль засноване на відмінності їх властивостей при випромінюванні, розповсюдженні і взаємодії з речовиною.

Не дивлячись на те, що властивості електромагнітних хвиль різних діапазонів можуть різко відрізнятися один від одного, всі вони мають єдину хвилеву природу і описуються системою рівнянь Максвела. Величини Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль і Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль у електромагнітній хвилі в простому випадку міняються по гармонійному закону. Рівняннями плоскої електромагнітної хвилі, що розповсюджується у напрямі Z, є:


Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль(1)

де Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль-циклічна частота, n-частота Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль-хвилеве число Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль-початкова фаза коливань.

Электромагнитные волны являются поперечными волнами, т.е. колебания векторов напряженности Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль переменного электрического и индукции Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль переменного магнитного поля взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль скорости распространения волны. Векторы Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль, Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль и Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль образуют правовинтовую систему: из конца вектора Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль поворот от Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль к Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль на наименьший угол виден происходящем против часовой стрелки (рис. 1).


Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль

Мал. 1


На мал. 2 показаний розподіл векторів Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль і Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль електромагнітної хвилі уздовж осі OZ в даний момент часу t.


Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль

Мал. 2

З формули (1) виходить, що вектора Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль і Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль у електромагнітній хвилі коливаються в однаковій фазі (синфазний), тобто вони одночасно звертаються в нуль і одночасно досягають максимальних значень.

Грунтуючись на тому, що електромагнітна хвиля є поперечною, можливе спостереження явищ, пов'язаних з певною орієнтацією векторів Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль і Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль у просторі.


2. Поляризація світла. Види поляризованого світла Види поляризованого світла


Для опису закономірностей поляризації світла досить знати поведінку лише одного з векторів, що характеризують електромагнітну хвилю. Зазвичай всі міркування ведуться щодо світлового вектора-вектора напруженості Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль електричного поля (при дії світла на речовину основне значення має електрична складова поля хвилі, що діє на електрони в атомах речовини).

Світлом є сумарне електромагнітне випромінювання безлічі атомів. Атоми ж випромінюють світлові хвилі незалежно один від одного, тому світлова хвиля, що випромінюється тілом в цілому, характеризується всілякими рівноімовірними коливаннями світлового вектора (мал. 3, а; промінь перпендикулярний площині малюнка).


Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль

Мал. 3

В даному випадку рівномірний розподіл векторів Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль пояснюється великим числом атомарних випромінювачів, а рівність амплітудних значень векторів Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль-однаковою (в середньому) інтенсивністю випромінювання кожного з атомів. Світло зі всілякими рівно імовірними орієнтаціями вектора Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль називається природним. Неполяризоване (природний) світло випускають більшість типових джерел, наприклад лампи розжарювання.

Світло, в якому напрями коливань світлового вектора якимсь чином впорядковані, називається поляризованим. Так, якщо в результаті яких-небудь зовнішніх дій з'являється переважний (але не виняткове) напрям коливань вектора Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль (мал. 3, би)то ми маємо справу з частково поляризованим світлом. Світло, в якому вектор Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль коливається тільки в одному напрямі, перпендикулярному свічу (мал. 3,в), називається плоско поляризованим (лінійно поляризованим).

Площина, що проходить через напрям коливань світлового вектора плоско поляризованої хвилі і напрям розповсюдження цієї хвилі, називається площиною поляризації. Плоско поляризоване світло є граничним випадком еліптично поляризованого світла-світла, для якого вектор Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль змінюється з часом так, що його кінець описує еліпс, лежачий в площині, перпендикулярній свічу (мал. 4,а).


Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль

Мал. 4


Якщо еліпс поляризації вироджується в пряму (при різниці фаз Подвійне променезаломлення електромагнітних хвильрівною нулю або Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль), то маємо справу з розглянутим вище плоско поляризованим світлом, якщо в коло (при Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль і рівності амплітуд хвиль, що складаються), то маємо справу з циркулярно поляризованим (поляризованим по кругу) світлом (мал. 4,б і мал. 4,в відповідно).


3. Поляризатори. Закон Малюса


Природне світло можна перетворити в плоско поляризований, використовуючи так звані поляризатори, проникні коливання тільки певного напряму (наприклад, проникні коливання, паралельні головній площині поляризатора, і повністю затримуючі коливання, перпендикулярні цій площині). Як поляризатори можуть бути використані середовища, анізотропні відносно коливань вектора Подвійне променезаломлення електромагнітних хвильнаприклад кристали. З природних кристалів, давно використовуваних як поляризатори, слід зазначити турмалін. Турмалін сильно поглинає світлові промені, в яких електричний вектор перпендикулярний до оптичної осі. Якщо ж електричний вектор паралельний осі, то такі промені проходять через турмалін майже без поглинання. Тому природне світло, пройшовши через пластинку турмаліну, наполовину поглинається і стає лінійно поляризованим з електричним вектором, орієнтованим паралельно оптичній осі турмаліну.

Такою ж властивістю володіють поляроїди, зручніші в обігу. Вони є штучно приготованими колоїдними плівками, службовці для отримання поляризованого світла. Поляроїд, подібно до турмаліну, діє, як один кристал і поглинає світлові коливання, електричний вектор яких перпендикулярний до оптичної осі.

Явище поляризації світла має місце і при віддзеркаленні або заломленні світла на межі двох ізотропних діелектриків. Цей спосіб поляризації був відкритий Малюсом, який випадково відмітив, що при поверненні кристала навколо світла, відбитого від скла, інтенсивність світла періодично зростає і зменшується, тобто віддзеркалення від скла діє на світло подібно до проходження через турмалін. Правда, при цьому не відбувалося повного згасання світла при деяких певних положеннях кристала, а спостерігалося лише його посилення і ослаблення.

Існують і інші способи отримання поляризованого світла.

Отже, всякий прилад, службовець, для отримання поляризованого світла називається поляризатором. Той же прилад, вживаний для дослідження поляризації світла, називається аналізатором.

Допустимо, що два кристали турмаліну або два поляроїди поставлено один за одним, так що їх осі Подвійне променезаломлення електромагнітних хвильі Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль утворюють між собою деякий кут (мал. 5).

Первый поляроид пропустит свет, электрический вектор Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль которого параллелен оси Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль. Обозначим через Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль интенсивность этого света. Разложим Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль на вектор Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль, параллельный оси Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль второго поляризатора, и вектор Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль, перпендикулярный к ней


(Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль).


Составляющая Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль будет задержана вторым поляроидом. Через оба поляроида пройдет свет с электрическим вектором Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль, длина которого равна


Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль.


Отношение интенсивностей пропорционально отношению квадратов амплитуд:

Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль


і, отже


Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль


Це співвідношення має назву закон Малюса:

Інтенсивність світла, що пройшло через аналізатор Подвійне променезаломлення електромагнітних хвильрівна інтенсивності світла, що пройшло через поляризатор Подвійне променезаломлення електромагнітних хвильпомноженою на квадрат косинуса кута Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль між аналізатором і поляризатором.

Закон був сформульований Малюсом в 1810 році і підтверджений ретельними фотометричними вимірюваннями Араго.


4. Явище подвійного променезаломлення


Фундаментальною властивістю світлових променів при їх проходженні в кристалах є подвійне променезаломлення, відкрите в 1670 році Бартоліном і детально досліджене Гюйгенсом, що опублікував в 1690 році свій знаменитий “Трактат про світло, в якому викладені причини того, що відбувається при віддзеркаленні і заломленні і, зокрема, при незвичайному заломленні в кристалах з Ісландії.” Явище подвійного променезаломлення пояснюється особливостями розповсюдження світла в анізотропних середовищах.

Якщо на кристал ісландського шпату направити вузький пучок світла, то з кристала вийдуть два просторово розділених світивши, паралельних один одному і падаючому променю.

Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль

Мал. 6


Навіть у тому випадку, коли первинний пучок світла падає на кристал нормально, заломлений пучок розділяється на два, причому один з них є продовженням первинного, а другою відхиляється. З часів Гюйгенса перший промінь отримав назву звичайного (Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль), а другий -необыкновенного (Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль)(мал. 6).

Напрям в кристалі, по якому промінь світла розповсюджується не випробовуючи подвійного променезаломлення, називається оптичною віссю кристала. А площина, що проходить через напрям променя світла і оптичну вісь кристала, називається головною площиною (головним перетином) кристала. Аналіз поляризації світла показує, що на виході з кристала промені виявляються лінійно поляризованими у взаємно перпендикулярних площинах.

Роздвоєння світла в кристалі завжди відбувається в головній площині. Оскільки при обертанні кристала навколо падаючого променя головна площина повертається в просторі, то одночасно повертається і незвичайний промінь. Розглянемо деякі найбільш прості випадки розповсюдження світла в кристалі.

Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль

Мал. 7


Якщо промінь Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль паралельний оптичній осі (мал. 7), те положення головної площини не визначене. Зокрема, площина малюнка є головною площиною, але такий же є, наприклад, і перпендикулярна нею площина. Умови розповсюдження променів з будь-якою поляризацією однакові, і вони не роздвоюються.

Якщо промінь Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль йде перпендикулярно оптичній осі (мал. 7), то електричний вектор, лежачий в головній площині, паралельний осі. Електричний вектор, перпендикулярний осі, лежить при цьому в площині, нормальній до головної, так що умови розповсюдження для цих складових електричного поля світлової хвилі неоднакові: промені не роздвоюються, але мають різну швидкість розповсюдження.

Якщо промінь Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль йде під довільним кутом до оптичної осі, то умови розповсюдження вказаних вище за складові також неоднакові: промені розповсюджуються по різних напрямах і з різними швидкостями (мал. 7).

Промінь, що має електричний вектор, перпендикулярний оптичній осі, у всіх цих випадках знаходиться в однакових умовах, так що закони його розповсюдження не повинні залежати від напряму розповсюдження; це і є звичайний промінь, що підкоряється звичайним законам заломлення.

Другий же, незвичайний промінь у всіх трьох випадках знаходиться в різних умовах (оптичні властивості кристала неізотропні), а тому і умови розповсюдження можуть ускладнюватися (Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль).


5. Хвилеві поверхні


Неоднакове заломлення звичайного і незвичайного променів указує на відмінність для них показників заломлення. Очевидно, що при будь-якому напрямі звичайного променя коливання світлового вектора перпендикулярні оптичній осі кристала, тому звичайний промінь розповсюджується по всіх напрямах з однаковою швидкістю і, отже, показник заломлення Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль для нього є величина постійна. Для незвичайного ж променя кут між напрямом коливань світлового вектора і оптичною віссю відмінний від прямого і залежить від напряму світивши, тому незвичайні промені розповсюджуються по різних напрямах з різними швидкостями. Отже, показник заломлення Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль незвичайного променя є змінною величиною, залежною від напряму світла.

Таким образом, обыкновенные лучи распространяются в кристалле по всем направлениям с одинаковой скоростью Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль, а необыкновенные- с разной скоростью Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль (в зависимости от угла между вектором Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль и оптической осью). Для луча, распространяющегося вдоль оптической оси, Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль, Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль, т.е. вдоль оптической оси существует только одна скорость распространения света. Различие в Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль и Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль для всех направлений, кроме направления оптической оси, и обуславливает явление двойного лучепреломления в одноосных кристаллах..

Допустимо, що в крапці Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль усередині одноосного кристала знаходиться точкове джерело світла.

Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль


На рис. 8 показано распространение обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле (главная плоскость совпадает с плоскостью чертежа, Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль-направление оптической оси). Волновой поверхностью обыкновенного луча (от распространяется сПодвійне променезаломлення електромагнітних хвиль) является сфера, необыкновенного луча (Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль)-эллипсоид вращения. Наибольшее расхождение волновых поверхностей обыкновенного и необыкновенного лучей наблюдается в направлении, перпендикулярном оптической оси. Эллипсоид и сфера касаются друг друга в точках их пересечения с оптической осью Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль. Если Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль (Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль), то эллипсоид необыкновенного луча вписан в сферу обыкновенного луча (эллипсоид скоростей вытянут относительно оптической оси) и одноосный кристалл называется положительным (рис. 8,а). Если Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль (Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль), то эллипсоид описан вокруг сферы (эллипсоид скоростей растянут в направлении, перпендикулярном оптической оси) и одноосный кристалл называется отрицательным (рис. 8,б).


6. Побудова Гюйгенса


Великою заслугою Гюйгенса є створення стрункої теорії проходження світлової хвилі через кристал, що пояснює виникнення подвійного променезаломлення. Застосований ним метод простий і наочний, а як спосіб визначення напряму звичайного і незвичайного променів зберіг своє значення і до цього дня.

У основі пояснення подвійного променезаломлення лежить принцип Гюйгенса, в якому постулируется, що кожна крапка, до якої доходить світлове збудження, може розглядатися як центр відповідних вторинних хвиль. Для визначення хвилевого фронту хвилі, що розповсюджується, в подальші моменти часу слід побудувати що огинає цих вторинних хвиль.

Як приклад побудови звичайного і незвичайного променів розглянемо заломлення плоскої хвилі на межі анізотропного середовища, наприклад позитивного (мал. 9). Оптична вісь позитивного кристала лежить в площині падіння під кутом до заломлюючої грані кристала. Паралельний пучок світла падає під кутом до поверхні кристала.


Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль

Мал. 9


За время, в течение которого правый край фронта Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль достигает точки Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль на поверхности кристалла, вокруг каждой из точек на поверхности кристалла между Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль и Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль возникают две волновые поверхности - сферическая и эллипсоидальная. Эти две поверхности соприкасаются друг с другом вдоль оптической оси. Из-за положительности кристалла эллипсоид будет вписан в сферу. Для нахождения фронтов обыкновенной и необыкновенной волн проводим касательные Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль и Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль соответственно к сфере и эллипсоиду. Линии, соединяющие точку Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль с точками касания сферической и эллипсоидальной поверхностей с касательными Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль и Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль, дают соответственно необыкновенный и обыкновенный лучи. Так как главное сечение кристалла в данном случае совпадает с плоскостью рисунка, то электрический вектор Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль колеблется перпендикулярно этой плоскости, а электрический вектор Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль необыкновенного луча колеблется в плоскости рисунка.

З побудови можна зробити очевидні висновки:

У кристалі відбувається подвійне променезаломлення. Побудови Гюйгенса дозволяє визначити напрями розповсюдження звичайного і незвичайного променів.

Напрям незвичайного променя і напрям нормалі до відповідного хвилевого фронту не співпадають.


7. Пластинки Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль і Подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль


Розглянемо дві когерентні плоско поляризовані хвилі

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: