Файл: optics_quant_phys_chpi_mgou.docx

Обычные источники света являются совокупностью огромного числа бы-

_-7 _-8

стро высвечивающихся (10^- - 10^- с) элементарных источников (атомов или молекул), испускающих свет нез ависимо друг от друга с раз ными начальными фаз ами и разной ориентацией светового вектора плоскости колебаний. Ориен­тация светового вектора в результирующей волне хаотически меняется во вре­мени, так что в плоскости, перпендикулярной к вектору S, все направления вектора E оказываются равноправными. Такой свет наз ывается естественным или неполяризованным (рис. 7.2а). Если световой вектор изменяется вдоль од­ного направления, то свет называется линейно или плоско поляризованным, а

плоскость, проходящая через векторы E, S называется плоскостью колебаний светового вектора (или плоскостью колебаний, рис. 7.2б). В линейно поляризо­ванной световой волне плоскость колебаний не и меняет с течением времени своей ориентации. Примером полностью или частично поляризованного света (рис.7.2в) может служить излучение лазеров.

Рис. 7.2. Направление светового вектора в неполяриз ованном (а), плоскополяриз ованном (б) и частично поляриз ованном (в) свете

Б

Устройства для получения полностью (в неидеальном случае частично) поляризованного оптического излучения называются поляризаторами. Линей­ные поляризаторы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости, называемой плоскостью поляриз атора и полностью (или частично) з адержива- ют колебания, перпендикулярные этой плоскости. Таким образ ом, естествен­ный свет, прошедший через линейный поляриз атор оказывается полностью или частично плоско поляризованным.

• Христиан Г юйгенс - голландский физ ик, механик, математик и астроном, объяснил ряд оп­тических явлений, разработал волновую теорию света, выдвинул из вестный принцип, на- з ванный его именем (принцип Гюйгенса) [13].

При повороте идеального поляриз атора на угол п/ 2 вокруг направления луча частично поляриз ованного света (см. рис.7.2в), интенсивность прошедше­го через поляриз атор света меняется от минимального значения 1_min до макси­мального значения I . Степенью поляриз ации света называется величина

---

р ^max ~ min (7 1)

1. max + ¹min

Действие линейных поляриз аторов основывается на одном из трех физических явлений: двойном лучепреломлении, линейном дихрои ме (это явление исполь­зуется в данной работе) и поляриз ации света при отражении (см. работу 3.8).

Свойством двойного лучепреломления, открытым Э.Бартолином¹¹ в 1669 г., обладают некоторые кристаллы (исландский шпат, кварц, турмалин и т.д.) неку­бической структуры. Преломляясь в таком кристалле, световой луч разделяется на два луча с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. Один из лучей называется обыкновенным лучом, он поляризован перпендикулярно оптической оси кристалла, другой - необыкновенным. Причиной двойного лучепреломления является з ависимость диэлектрической проницаемости 8, показ ателя преломле­ния n _ л/8 и скорости распространения v _ c/n от направления в кристаллах. Для обыкновенного луча выполняется акон преломления: sina с

——_ n₀ _ —, (7.3)

siny v₀

где v₀ - скорость распространения обыкновенного луча. Для необыкновенного луча его скорость ависит от направления луча относительно оси кристалла, поэтому з акон преломления (7.3) не выполнятся. После выхода из кристалла оба луча распространяются с одинаковой скоростью.

2. Явление дихроизма, строение и применение поля роидов

Ра личное поглощение веществом света в ависимости от его поляри ации

*2

(ани отропия поглощения) на ывается дихрои мом ². Поглощение ависит не толь­ко от направления распространения, но также и от длины волны, поэтому дихроич- ные вещества ока ываются ра лично окрашенными при наблюдениях по ра ным направлениям, откуда и произошло их название. Примером является турмалин, в котором обыкновенный луч поглощается сильнее необыкновенного, в ре ультате при достаточной толщине (1 мм) пластинки естественный свет становится линейно поляризованным. За меру линейного дихроизма принимают величину

---

D _ ^K" ^К , (7.4)

К + к _±

где К, _ K_max, K_L _ K_min - коэффициенты поглощения относительно выделенных направлений - оптических или кристаллографических осей, осей молекул и т.д.

Линейные поляриз аторы, действие которых основано на явлении линей­ного дихроизма называются поляроидами. Они представляет собой тонкую по­ляризующую плёнку, з аклеенную для з ащиты от механического повреждения и действия влаги, между двумя прозрачными пластинками (плёнками). Дихроизм поляроидов обусловлен дихроизмом мельчайших кристалликов (турмалина, йодистого хинина и др.) или молекул полимера, введённых в прозрачную мат­рицу (и стекла или пластмассы) и пространственно однородно ориентирован­ных в ней. Ориентацию осуществляют с помощью растяжения плёнки, сдвиго­вых деформаций или иной специальной технологии. Недостатками поляроидов являются относительно ни кая стойкость к во действиям влаги и температуры, невысокое пропускание (30%), спектральная селективность и низкая лучевая прочность, и - а чего их нель я исполь овать в достаточно мощных ла ерных пучках. Поляроиды применяются для регулировки интенсивности света (на­пример, в очках, спектрофотометрах, фарах автомобилей), получения стерео­скопического из ображения, в жидкокристаллических экранах. Устройства с жидкокристаллическими экранами (мониторы, телеви оры, мобильные телефо­ны, калькуляторы) создают изображение с помощью поляризованного света.

Ра витие полупроводнико­вых технологий и и учение жид­ких кристаллов (веществ, состоя­щих и удлиненных параллельных молекул, рис. 7.3) привели к со - данию сначала жидкокристалличе­ских (ЖК) индикаторов (LCD - Liquid Crystal Display), а затем и ЖК-экранов (рис. 7.4). Первые почти повсеместно заменили стре­лочные и мерительные приборы, а вторые - телеви оры и мониторы компьютеров на электронно­лучевых трубках.

Рис. 7.3. Расположение молекул

_*

в нематических жидких кристаллах, исполь уемых в большинстве современных ЖК-экранов

---

Рис. 7.4. Схема действия жидкокристаллического монитора

Устройство и принцип работы ЖК-экрана показаны на рис. 7.4 [16]. Слой 1 нематических жидких кристаллов малой толщины располагается между двумя стеклянными пластинами 2, 3). С наружных сторон на пластины нанесе­на электрическая сетка в виде множества гориз онтальных рядов 4 — электро­дов спереди со стороны экрана и вертикальных рядов 5 — поз ади. Вместе они образуют матричный электросветовой преобразователь. На электроды сетки подаются вырабатываемые микропроцессором управляющие импульсные сиг­налы. При адресном воздействии управляющего напряжения оптические оси молекул микроячеек ЖК поворачиваются на 90°. Это изменяет прозрачность ЖК слоя для света определенной поляризации. Неполяризованной свет от ты­лового источника подсветки (в новейших моделях от светодиодов) проходит через тыловой поляриз атор и попадает в ЖК-слой. Сформировавшиеся в ЖК- слое микропучки светового излучения проходят через множество фильтров 6, ра деляющих пиксели (точки) и ображения на цветные субпиксели (красные, зеленые, синие), обеспечивающие достаточно качественную цветопередачу. Последствия двойного лучепреломления света в слое жидких кристаллов уст­раняет фронтальный поляри атор 7.

3. Закон Малюса

Всякий поляризатор можно использовать в качестве анализатора для иссле­дования поляризованного света. Пусть амплитуда светового вектора после про­хождения через первый поляриз атор равна E₁. Тогда амплитудное значение све­тового вектора после прохождения через анализатор П₂ (рис. 7.5а) определяется проекцией Е₁ на плоскость пропускания колебаний анализатора (рис. 7.5б):

Е₂ = E₁cos0.

7

(7.5)

О

Рис. 7.5. а) Пропускание естественного света через два поляриз атора, второй из них служит анализ атором. б) Амплитуды световых векторов после прохождения через первый поляриз атора Е₁ и через второй Е₂

Интенсивность луча после прохождения анализ атора определяется квад­ратом амплитуды Е, то есть:

---

£2 = /₂ = Ei² cos² 0 = ^cos²0. (7.6)

Это выражение носит наз вание з акона Малюса¹¹.

При прохождении естественного света чере поляри атор его интенсив­ность определяется средним значением квадрата cos²0, то есть уменьшается в два ра а

2. 1 ²f ₂ 1

</1 > = <^cos²0> = — [ /0cos 0d0 = - /0. (7.7)

^2п 0 ²

где /₀ и /₁ - интенсивности естественного и поляриз ованного лучей. Если по­ляриз атор дополнительно поглощает свет с коэффициентом поглощения поля­риз атора k , то интенсивность поляризованного луча уменьшается сильнее /₁ = 0,5(1 - k) /₀, (7.8)

причем при отсутствии поглощения k =0. Если в анализ аторе П₂ также проис­ходит поглощение света, то интенсивность луча равна:

/₂ = (1 - k) /₁cos²0 = 0,5(1 - k )² /₀cos²0. (7.9)

3. Проверка закона Малюса с помощью источника естественного света

В работе с помощью поляроидов анализируется поляризованный свет,

полученный двумя способами: от жидкокристаллического монитора компью-

*2

тера и путем пропускания естественного света через поляроид.

Выполните следующие визуальные наблюдения. Поднесите поляроид к включенному жидкокристаллическому монитору компьютера или мобильного телефона. Поверните поляризатор относительно экрана на различные углы. Опишите ре ультат и сделайте вывод в отчете о работе.

---