Поляризация света при отражении

     СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ  ........................................................................................................3

     1. Поляризация света ……………………………………………………5

     2. Поляризация света при отражении с учетом диэлектрической и

         магнитной проницаемостей. Отражательная способность………...7

     3. Отражательный прибор Нюрренберга и получение

         поляризованного света ……………………………………………...16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ  …………………………………………….……………….18

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ …….……………….19

ПРИЛОЖЕНИЕ  ……………………………………………………………..20 

 

ВВЕДЕНИЕ 

     Актуальность заключается в том, что в данной работе рассматривается явление поляризации с учетом диэлектрической и магнитной проницаемостей. Традиционно в учебниках по оптике рассматривается в оптической области явление при значении . В связи с открытием новых материалов с возникает интерес к изучению явлений прохождения и отражения света на границе раздела сред с учетом .

     Из  указанной актуальности темы вытекает проблема, которую можно сформулировать следующим образом: необходимо изучение поляризации света при отражении с учетом диэлектрической и магнитной проницаемостей для более подробного усвоения темы исследования.

     Объект  исследования: явление на границе раздела сред, поляризация света.

     Предмет исследования: поляризация света при отражении с учетом диэлектрической и магнитной проницаемостей.

     Цель  исследования: расчет компонент электрического и магнитного поля в отраженном свете.

     Задачи:

1. Ознакомиться с литературой по проблеме исследования: специальной, технической.
2. Изучить явление поляризацию света при отражении в зависимости от диэлектрической и магнитной проницаемости.
3. Изучить влияние диэлектрической и магнитной сред на поляризацию света.

     Методы  исследования, используемые при выполнении данной курсовой работы: теоретический анализ и обобщение научно-технической литературы по теме исследования.

     Методологической  и теоретической  базой являются научно-методические труды и теоретические работы по физике таких ученых,  как Д.В. Сивухин, М. Борн, Э. Вольф, И.В. Савельев и Г.С. Ландсберг.

     Курсовая  работа состоит из введения, трех параграфов по исследуемой теме, заключения, списка использованной литературы и приложения.

 

1. Поляризация света 

     Обратимся сначала к изучению явления поляризации света.

     Для описания закономерностей поляризации  света достаточно знать поведение  лишь одного из векторов, характеризующих  электромагнитную волну. Обычно все  рассуждения ведутся относительно светового вектора-вектора напряженности  электрического поля (при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества).

     Свет  представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы  же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора (рис. 1, а; луч перпендикулярен плоскости рисунка). 

     

Рис. 1 

     В данном случае равномерное распределение векторов объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов - одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным. Неполяризованный (естественный) свет испускают большинство типовых источников, например лампы накаливания.

     Свет, в котором направления колебаний  светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное) направление колебаний вектора (рис. 1, б), то мы имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 1,в), называется плоско поляризованным (линейно поляризованным).

     Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоско поляризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации. Плоско поляризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света-света, для которого вектор изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпендикулярной лучу (рис. 2,а). 

Рис. 2 

     Если  эллипс поляризации вырождается  в прямую (при разности фаз  , равной нулю или ), то имеем дело с рассмотренным выше плоско поляризованным светом, если в окружность (при и равенстве амплитуд складываемых волн), то имеем дело с циркулярно поляризованным светом (рис. 2,б и рис.2,в соответственно).

 

2. Поляризация света при отражении с учетом диэлектрической и магнитной проницаемости. Отражательная способность 

     Изучив, что представляет из себя поляризация  света, рассмотрим теперь, как энергия  поля падающей волны распределяется между двумя вторичными полями.

     Интенсивность света равна

                                        (1)

     Поэтому количество энергии в первичной  волне, которое попадает на единицу  площади поверхности раздела  за 1 сек, будет равно

                          (2)

     Для отраженной волны энергия, покидающая единицу площади поверхности раздела за 1 сек, определяется подобным же выражением, а именно:

                              (3)

     Отношения

                             (4)

называют  соответственно отражательной и пропускателъной способностью.

     Легко проверить, что в соответствии с  законом сохранения энергии

                                                       (5)

     Рассмотрим  отражательную способность.

     Отражательная способность зависит от поляризации падающей волны. Ее можно выразить через отражательную способность для света, поляризованного параллельно и перпендикулярно плоскости падения.

     Пусть вектор Е падающей волны образует с плоскостью падения угол . Тогда

                                   (6)

Пусть, далее,

                                 (7)

Тогда

                (8)

где

                            (9)

Можно показать, что

                                   (10)

где – пропускательная способность для света, поляризованного

              параллельно;

     – пропускательная способность для света, поляризованного 

              перпендикулярно;

     Для нормального падения различие между параллельной и перпендикулярной компонентами исчезает, и из

 и (4) находим

                                               (11)

В приложении приведены таблица значений и  график зависимости  для нормального падения.

Отсюда  следует, что 

                                              (12)

Аналогичные результаты получаются также для предельных значений и Это легко увидеть из (9), если учесть, что, согласно закону преломления, при . Следовательно, чем меньше различие в оптической плотности обеих сред, тем меньше энергии уносится отраженной волной.

     Знаменатели в (9) конечны, за исключением случая , где – угол преломления. Тогда и, следовательно, . В этом случае (рис. 3) отраженный и преломленный лучи   перпендикулярны друг другу, а из   закона  преломления следует (так  как теперь  ), что

                                                    (13)

Рис. 3. К определению  угла полной поляризации (угол Брюстера). 

     Угол  , определяемый этим выражением, называется углом полной поляризации или углом Брюстера. Его важность была впервые отмечена в 1815 г. Давидом Брюстером (1781—1868 гг.). Если свет падает под этим углом, электрический вектор отраженной волны не имеет составляющей в плоскости падения. Мы обычно говорим в этом случае, что свет поляризован «в плоскости падения». Таким образом, согласно традиционной терминологии, плоскостью поляризации называется плоскость, в которой лежат магнитный вектор и направление распространения.

     Полученный  выше результат, часто называемый законом Брюстера, можно пояснить следующим, более прямым рассуждением. Поле падающей волны вызывает колебания электронов в атомах второй среды, которые совершаются в направлении электрического вектора прошедшей волны. Колеблющиеся электроны вызывают отраженную волну, которая распространяется обратно в первую среду. Но линейно колеблющийся электрон излучает в основном в направлении, перпендикулярном к направлению колебаний, так что в последнем направлении поток энергии излучения отсутствует. Отсюда следует, что когда отраженный и прошедший лучи перпендикулярны друг другу, то в отраженном луче энергия колебании в плоскости падения равна нулю.

     На  рис. 5 показана зависимость отражательной способности стекла с показателем преломления 1,52 от угла падения . Нулевое значение на кривой в соответствует углу поляризации .

     В оптическом диапазоне показатели преломления по отношению к воздуху обычно порядка 1,5, но в радиодиапазоне они значительно больше; поэтому там соответственно велики и углы поляризации. Например, для оптических длин волн показатель преломления воды примерно равен 1,3 и угол поляризации . В радиодиапазоне значение показателя преломления достигает примерно 9, а угол поляризации близок к . 

Рис. 4. Зависимость отражательной  способности от угла падения

а)

; б) ; в)  

     Легко видеть, что, согласно (8), кривая б на рис. 4 соответствует . Как сейчас будет показано, та же кривая представляет также отражательную способность для естественного света, т. е. для света, испускаемого нагретым телом. Направление колебаний в естественном свете быстро изменяется беспорядочным, случайным образом. Соответствующую отражательную способность можно получить путем усреднения по всем направлениям. Так как средние значения и равны 1/2, то для средних значений и получим