Die Phänomene der Interferenz und Beugung von Licht bestätigen seine Wellennatur. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts betrachteten T. Jung und O. Fresnel, die die Wellentheorie des Lichts geschaffen hatten, Lichtwellen als longitudinale, d.h. ähnlich wie Schallwellen. Um dies zu tun, mussten sie eine Art hypothetische Umgebung namens einführen Äther, in dem die Ausbreitung longitudinaler Lichtwellen stattfand. Damals schien es unglaublich, dass Licht Transversalwellen ist, da man in Analogie zu mechanischen Wellen annehmen müsste, dass der Äther ein fester Körper ist (transversale mechanische Wellen können sich nicht in einem gasförmigen oder flüssigen Medium ausbreiten). Allerdings gab es schon damals Tatsachen, die der Longitudinalität von Lichtwellen widersprachen.

Bereits im Mittelalter brachten Seefahrer ungewöhnliche transparente Steine ​​aus Island mit, die später so genannt wurden Isländischer Spat. Ihre Ungewöhnlichkeit war, dass, wenn ein Stück isländischer Holm auf eine Inschrift gelegt wird, die Inschrift dadurch gegabelt zu sehen ist.

1669 berichtete der dänische Wissenschaftler Bartholin über interessante Ergebnisse seiner Experimente mit isländischen Spatkristallen. Beim Durchgang durch einen solchen Kristall teilt sich der Strahl in zwei Teile (Abb. 2.6.1). Diese Strahlen werden benannt gewöhnlicher Balken und außergewöhnlicher Strahl, und das Phänomen selbst Doppelbrechung.

Ein gewöhnlicher Strahl gehorcht dem gewöhnlichen Brechungsgesetz, und ein außerordentlicher Strahl gehorcht diesem Gesetz nicht. Die Strahlen teilten sich in zwei Teile, selbst wenn sie normalerweise auf einen Kristall aus isländischem Spat trafen. Wenn der Kristall relativ zur Richtung des ursprünglichen Strahls gedreht wird, werden beide Strahlen, die den Kristall passiert haben, gedreht. Bartholin entdeckte auch, dass es im Kristall eine bestimmte Richtung gibt, entlang der sich der einfallende Strahl nicht teilt. Er konnte diese Phänomene jedoch nicht erklären.

Einige Jahre später erregte diese Bartholin-Entdeckung die Aufmerksamkeit von Huygens, der das Konzept einführte optische Achse des Kristalls(Bartolin hat es tatsächlich entdeckt).

Die optische Achse des Kristalls Vorzugsrichtung im Kristall genannt, entlang der sich die ordentlichen und außerordentlichen Strahlen ausbreiten, ohne sich zu trennen.

1809 führte der französische Ingenieur E. Malus ein Experiment mit Turmalinkristallen (durchsichtige grünliche Kristalle) durch. Bei diesem Experiment wurde Licht nacheinander durch zwei identische Turmalinplatten geleitet. Wird die zweite Platte relativ zur ersten gedreht, so ändert sich die Intensität des durch die zweite Platte tretenden Lichts vom Maximalwert auf Null (Abb. 2.6.2). Abhängigkeit der Lichtintensität ich aus der Ecke j zwischen den optischen Achsen beider Platten hat die Form:

(Malus' Gesetz ), (2.6.1)

wo ich 0 ist die Intensität des einfallenden Lichts.

Reis. 2.6.3 a. Reis. 2.6.3 b.

Weder die Doppelbrechung noch das Gesetz von Malus lassen sich im Rahmen der Theorie der longitudinalen Lichtwellen erklären. Bei Longitudinalwellen ist die Ausbreitungsrichtung des Strahls die Symmetrieachse. Bei einer Longitudinalwelle sind alle Richtungen in einer Ebene senkrecht zum Strahl gleich.

Um zu verstehen, wie sich eine Transversalwelle verhält, stellen Sie sich eine Welle vor, die sich entlang einer Schnur in einer vertikalen Ebene bewegt. Stellt man in den Weg dieser Welle einen Kasten mit senkrechtem Schlitz (Abb. 2.6.3 a), dann geht die Welle frei durch den Schlitz. Wenn der Schlitz in der Box horizontal liegt, dann geht die Welle nicht mehr durch (Abb. 2.6.3 b). Diese Welle wird auch genannt Ebene polarisiert, da Schwingungen darin treten in einer (vertikalen) Ebene auf.

Experimente mit Kristallen aus isländischem Spat und Turmalin ermöglichten den Nachweis, dass die Lichtwelle transversal ist. T. Jung (1816) schlug als erster vor, dass Lichtwellen transversal sind. Auch Fresnel hat unabhängig von Jung das Konzept der transversalen Lichtwellen aufgestellt, mit zahlreichen Experimenten untermauert und die Theorie der Lichtdoppelbrechung in Kristallen geschaffen.

Mitte der 60er Jahre des 19. Jahrhunderts kam Maxwell zu dem Schluss, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist. Diese Schlussfolgerung wurde auf der Grundlage der Übereinstimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen, die aus der Maxwell-Theorie erhalten wird, mit dem bekannten Wert der Lichtgeschwindigkeit gezogen. Als Maxwell zu dem Schluss kam, dass elektromagnetische Wellen existierten, war die transversale Natur von Lichtwellen bereits experimentell bewiesen worden. Daher glaubte Maxwell, dass die Transversalität elektromagnetischer Wellen ein weiterer wichtiger Beweis für die elektromagnetische Natur des Lichts ist.

In der elektromagnetischen Lichttheorie verschwanden auch die Schwierigkeiten, die mit der Einführung eines speziellen Wellenausbreitungsmediums, des als Festkörper zu betrachtenden Äthers, verbunden waren.

Bei einer elektromagnetischen Welle stehen die Vektoren und senkrecht aufeinander und liegen in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Es wird akzeptiert, dass die Ebene genannt wird, in der der Vektor schwingt Vibrationsebene, und die Ebene, in der die Schwingungen des Vektors auftreten, Ebene der Polarisation. Da bei allen Prozessen der Wechselwirkung von Licht mit Materie der elektrische Feldstärkevektor die Hauptrolle spielt, heißt es Lichtvektor. Behält der Lichtvektor bei der Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle seine Orientierung bei, spricht man von einer solchen Welle linear polarisiert oder Ebene polarisiert.

Linear polarisiertes Licht wird von Lasern emittiert. Licht, das von gewöhnlichen Quellen (wie Sonnenlicht, Glühlampen usw.) ausgestrahlt wird, ist jedoch nicht polarisiert. Dies liegt daran, dass Atome unabhängig voneinander Licht in getrennten Zügen aussenden. Dadurch ändert der Vektor in der resultierenden Lichtwelle zufällig seine zeitliche Orientierung, so dass im Mittel alle Schwingungsrichtungen gleich sind.

Als Lichtwelle wird eine Lichtwelle bezeichnet, bei der sich die Schwingungsrichtung des Lichtvektors zeitlich chaotisch ändert natürlich oder unpolarisiertes Licht.

Natürliches Licht, das durch einen Kristall aus isländischem Spat oder Turmalin fällt, ist polarisiert. Das Phänomen der Doppelbrechung des Lichts erklärt sich dadurch, dass in vielen kristallinen Substanzen die Brechungsindizes für zwei senkrecht zueinander polarisierte Wellen unterschiedlich sind. Daher teilt der Kristall die durch ihn hindurchgehenden Strahlen (Abb. 2.6.1). Zwei Strahlen am Ausgang des Kristalls sind in zueinander senkrechten Richtungen linear polarisiert. Kristalle, bei denen Doppelbrechung auftritt, werden genannt anisotrop.

Licht kann polarisiert werden, wenn es reflektiert oder gestreut wird. Insbesondere das blaue Licht des Himmels ist teilweise oder vollständig polarisiert. Die Polarisation des reflektierten Lichts wurde erstmals von Malus beobachtet, als er durch einen Kristall aus isländischem Spat auf die Reflexion der untergehenden Sonne in den Fenstern des Palais du Luxembourg in Paris blickte. Malus fand heraus, dass das reflektierte Licht bis zu einem gewissen Grad polarisiert ist. Der Polarisationsgrad des reflektierten Strahls hängt vom Einfallswinkel ab: Bei senkrechtem Einfall ist das reflektierte Licht nicht vollständig polarisiert, und wenn es in einem Winkel einfällt, der als Winkel der vollen Polarisation oder Brewster-Winkel bezeichnet wird, beträgt der reflektierte Strahl 100 % polarisiert. Bei Reflexion im Brewster-Winkel stehen der reflektierte und der gebrochene Strahl senkrecht aufeinander (Abb. 2.5.4). Der reflektierte Strahl ist parallel zur Oberfläche planpolarisiert.

weil , und , dann wird der Brewster-Winkel durch die Formel gefunden.

Polarisiertes Licht wird in vielen Bereichen der Technik weit verbreitet verwendet (z. B. zur sanften Steuerung von Licht, bei der Untersuchung elastischer Spannungen usw.). Das menschliche Auge unterscheidet die Polarisation des Lichts nicht, aber die Augen einiger Insekten, wie z. B. Bienen, nehmen sie wahr.

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Heute lernen wir im Unterricht das Phänomen der Lichtpolarisation kennen. Untersuchen wir die Eigenschaften von polarisiertem Licht. Machen wir uns mit dem experimentellen Nachweis der Transversalität von Lichtwellen vertraut.

Die Phänomene der Interferenz und Beugung lassen keinen Zweifel daran, dass sich ausbreitendes Licht Welleneigenschaften hat. Aber was für Wellen - längs oder quer?

Die Begründer der Wellenoptik, Jung und Fresnel, betrachteten Lichtwellen lange als longitudinale, also schallähnliche Wellen. Lichtwellen wurden damals als elastische Wellen im Äther betrachtet, die den Raum erfüllen und in alle Körper eindringen. Solche Wellen, so schien es, konnten nicht transversal sein, da transversale Wellen nur in einem festen Körper existieren können. Aber wie können sich Körper in festem Äther bewegen, ohne auf Widerstand zu stoßen? Schließlich soll der Äther die Bewegung von Körpern nicht behindern. Andernfalls würde das Trägheitsgesetz nicht gelten.

Nach und nach wurden jedoch immer mehr experimentelle Fakten gesammelt, die in keiner Weise interpretiert werden konnten, da Lichtwellen als longitudinal angesehen wurden.

Versuche mit Turmalin

Und jetzt werden wir nur eines der Experimente im Detail betrachten, sehr einfach und äußerst effektiv. Dies ist ein Experiment mit Turmalinkristallen (transparente grüne Kristalle).

Wenn ein Lichtstrahl einer elektrischen Lampe oder der Sonne senkrecht auf eine solche Platte gerichtet wird, bewirkt die Drehung der Platte um den Strahl keine Änderung der Intensität des durch sie hindurchgegangenen Lichts (Abb. 1. ). Man könnte meinen, dass das Licht nur teilweise vom Turmalin absorbiert wurde und eine grünliche Farbe annahm. Sonst ist nichts passiert. Aber das ist nicht so. Die Lichtwelle hat neue Eigenschaften bekommen.

Diese neuen Eigenschaften zeigen sich, wenn der Strahl parallel zum ersten durch einen zweiten, exakt denselben Turmalinkristall (Abb. 2(a)) geführt wird. Bei gleichgerichteten Achsen der Kristalle passiert wiederum nichts Interessantes: Der Lichtstrahl wird durch Absorption im zweiten Kristall einfach weiter abgeschwächt. Aber wenn der zweite Kristall gedreht wird und den ersten bewegungslos lässt, wird ein erstaunliches Phänomen sichtbar - das Erlöschen des Lichts. Mit zunehmendem Winkel zwischen den Achsen nimmt die Lichtintensität ab. Und wenn die Achsen senkrecht zueinander stehen, geht das Licht überhaupt nicht durch. Es wird vom zweiten Kristall vollständig absorbiert.

Eine Lichtwelle, die in alle Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingt, wird als bezeichnet natürlich.

Licht, bei dem die Schwingungsrichtungen des Lichtvektors irgendwie geordnet sind, nennt man polarisiert.

Polarisation des Lichts- Dies ist eine der grundlegenden Eigenschaften optischer Strahlung (Licht), die in der Ungleichheit verschiedener Richtungen in einer Ebene senkrecht zum Lichtstrahl (der Ausbreitungsrichtung der Lichtwelle) besteht.

Polarisatoren- Geräte, die es ermöglichen, polarisiertes Licht zu erhalten.

Analysatoren- Geräte, mit denen Sie analysieren können, ob das Licht polarisiert ist oder nicht.

Funktionsschema des Polarisators und Analysators

Transversale Lichtwellen

Aus den oben beschriebenen Experimenten folgen zwei Tatsachen:

Erstens dass die von der Lichtquelle kommende Lichtwelle völlig symmetrisch zur Ausbreitungsrichtung ist (während der Drehung des Kristalls um den Strahl im ersten Experiment änderte sich die Intensität nicht).

Zweitens dass die aus dem ersten Kristall austretende Welle keine Achsensymmetrie hat (je nach Drehung des zweiten Kristalls relativ zum Strahl wird diese oder jene Intensität des durchgelassenen Lichts erhalten).

Intensität des aus dem ersten Polarisator austretenden Lichts:

Intensität des Lichts, das durch den zweiten Polarisator gegangen ist:

Intensität des Lichts, das durch zwei Polarisatoren geht:

Fassen wir zusammen: 1. Licht ist eine Transversalwelle. Aber in einem Wellenbündel, das von einer herkömmlichen Quelle einfällt, gibt es Schwingungen in allen möglichen Richtungen, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle.

2. Turmalinkristall hat die Fähigkeit, Lichtwellen mit Schwingungen zu übertragen, die in einer bestimmten Ebene liegen.

Modell der linearen Polarisation einer Lichtwelle

Polaroids

Nicht nur Turmalinkristalle sind in der Lage, Licht zu polarisieren. Die gleiche Eigenschaft haben zum Beispiel die sogenannten Polaroids. Polaroid ist ein dünner (0,1 mm) Film aus Herapatit-Kristallen, der auf einer Zelluloid- oder Glasplatte abgeschieden wird. Mit einem Polaroid können Sie die gleichen Experimente durchführen wie mit einem Turmalinkristall. Der Vorteil von Polaroids ist, dass man große Flächen erzeugen kann, die Licht polarisieren.

Der Nachteil von Polaroids ist der violette Farbton, den sie dem weißen Licht verleihen.

Beugung und Interferenz von Licht bestätigen die Wellennatur von Licht. Aber Wellen können longitudinal und transversal sein. Betrachten Sie die folgende Erfahrung.

Polarisation des Lichts

Lassen Sie uns einen Lichtstrahl durch eine rechteckige Turmalinplatte leiten, deren eine Seite parallel zur Kristallachse ist. Es gab keine sichtbaren Veränderungen. Das Licht wurde in der Platte nur teilweise ausgelöscht und nahm eine grünliche Farbe an.

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Jetzt, nachdem wir eine weitere Platte nach der ersten platziert haben. Wenn die Achsen beider Platten ausgerichtet sind, passiert nichts. Beginnt aber der zweite Kristall zu rotieren, erlischt das Licht. Wenn die Achsen senkrecht stehen, gibt es überhaupt kein Licht. Es wird vollständig von der zweiten Platte absorbiert.

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Lassen Sie uns zwei Schlussfolgerungen ziehen:

1. Die Lichtwelle ist symmetrisch zur Ausbreitungsrichtung.

2. Nach Durchgang durch den ersten Kristall hat die Welle keine Achsensymmetrie mehr.

Aus Sicht der Longitudinalwellen ist dies nicht zu erklären. Licht ist also eine Transversalwelle. Der Turmalinkristall ist ein Polaroid. Es sendet Lichtwellen aus, deren Schwingungen in einer Ebene erfolgen. Diese Eigenschaft wird in der folgenden Abbildung gut veranschaulicht.

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Transversale Lichtwellen und elektromagnetische Lichttheorie

Das Licht, das nach Durchgang durch ein Polaroid entsteht, wird als linear polarisiertes Licht bezeichnet. Bei polarisiertem Licht treten Schwingungen nur in einer Richtung auf - der Querrichtung.

Die elektromagnetische Theorie des Lichts hat ihren Ursprung in der Arbeit von Maxwell. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts bewies Maxwell theoretisch die Existenz elektromagnetischer Wellen, die sich auch im Vakuum ausbreiten können.

Und er schlug vor, dass Licht auch eine elektromagnetische Welle ist. Die elektromagnetische Lichttheorie basiert auf der Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit und die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen gleich sind.

Ende des 19. Jahrhunderts wurde schließlich festgestellt, dass Lichtwellen durch die Bewegung geladener Teilchen in Atomen entstehen. Mit der Anerkennung dieser Theorie ist die Notwendigkeit eines leuchtenden Äthers, in dem sich Lichtwellen ausbreiten, verschwunden. Lichtwellen Das sind keine mechanischen, sondern elektromagnetische Wellen.

Schwingungen einer Lichtwelle bestehen aus Schwingungen zweier Vektoren: dem Intensitätsvektor und dem magnetischen Induktionsvektor. Als Schwingungsrichtung von Lichtwellen wird die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldstärkevektors angesehen.

Querwelle- eine Welle, die sich senkrecht zu der Ebene ausbreitet, in der die Teilchen des Mediums schwingen (bei einer elastischen Welle) oder in der die Vektoren der elektrischen und magnetischen Felder liegen (bei einer elektromagnetischen Welle).

Zu den Transversalwellen gehören beispielsweise Wellen in Saiten oder elastischen Membranen, wenn die Verschiebung von Teilchen in ihnen streng senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung erfolgt, sowie ebene homogene elektromagnetische Wellen in einem isotropen Dielektrikum oder Magneten; in diesem Fall werden Querschwingungen durch die Vektoren elektrischer und magnetischer Felder ausgeführt.

Die Transversalwelle ist polarisiert, d.h. sein Amplitudenvektor ist in der Querebene auf bestimmte Weise orientiert. Je nach Kurvenform, die das Ende des Amplitudenvektors beschreibt, werden insbesondere lineare, zirkulare und elliptische Polarisationen unterschieden. Der Begriff einer Transversalwelle, wie auch einer Longitudinalwelle, ist teilweise bedingt und hängt mit der Art und Weise zusammen, wie sie beschrieben wird. Die „Transversität“ und „Längsrichtung“ der Welle werden dadurch bestimmt, welche Größen tatsächlich beobachtet werden. Somit kann eine ebene elektromagnetische Welle durch einen longitudinalen Hertzschen Vektor beschrieben werden. In einer Reihe von Fällen verliert die Einteilung von Wellen in Längs- und Querwellen im Allgemeinen ihre Bedeutung. In einer harmonischen Welle auf der Oberfläche von tiefem Wasser machen die Partikel des Mediums also kreisförmige Bewegungen in einer vertikalen Ebene, die durch den Wellenvektor verläuft, d.h. Teilchenschwingungen haben sowohl Längs- als auch Querkomponenten.

1809 entdeckte der französische Ingenieur E. Malus ein nach ihm benanntes Gesetz. In den Experimenten von Malus wurde Licht nacheinander durch zwei identische Turmalinplatten (eine transparente kristalline Substanz von grünlicher Farbe) geleitet. Die Platten könnten sich relativ zueinander um einen Winkel φ drehen

Es stellte sich heraus, dass die Intensität des durchgelassenen Lichts direkt proportional zu cos2 φ ist:

Das Brewster-Phänomen wird verwendet, um Lichtpolarisatoren zu erzeugen, und das Phänomen der Totalreflexion wird verwendet, um eine Lichtwelle innerhalb einer optischen Faser räumlich zu lokalisieren. Der Brechungsindex des Glasfasermaterials übersteigt den Brechungsindex der Umgebung (Luft), sodass der Lichtstrahl innerhalb der Faser an der Grenzfläche zwischen Faser und Medium einer Totalreflexion unterliegt und nicht über die Faser hinausgehen kann. Mit Hilfe einer optischen Faser kann ein Lichtstrahl entlang einer beliebigen krummlinigen Bahn von einem Punkt im Raum zu einem anderen gesendet werden.

Gegenwärtig wurden Technologien zur Herstellung von Quarzfasern mit einem Durchmesser von entwickelt, die praktisch keine inneren und äußeren Defekte aufweisen und deren Festigkeit nicht geringer ist als die von Stahl. Gleichzeitig konnten die Verluste an elektromagnetischer Strahlung in der Faser auf einen Wert kleiner als reduziert und auch die Dispersion deutlich reduziert werden. Dies machte es 1988 möglich. eine faseroptische Kommunikationsleitung in Betrieb genommen, die Amerika mit Europa auf dem Grund des Atlantischen Ozeans verband. Moderne FOCLs sind in der Lage, die oben genannten Informationsübertragungsraten bereitzustellen.

Bei einer hohen Intensität einer elektromagnetischen Welle hören die optischen Eigenschaften des Mediums, einschließlich des Brechungsindex, auf, konstant zu sein, und werden zu Funktionen der elektromagnetischen Strahlung. Das Überlagerungsprinzip für elektromagnetische Felder entfällt, und das Medium wird gerufen nichtlinear. In der klassischen Physik wird das Modell zur Beschreibung nichtlinearer optischer Effekte verwendet Anharmonischer Oszillator. In diesem Modell wird die potentielle Energie eines atomaren Elektrons als Reihe von Potenzen der Verschiebung x des Elektrons relativ zu seiner Gleichgewichtslage geschrieben