Valon interferenssi- ja diffraktioilmiöt vahvistavat sen aaltoluonteen. 1800-luvun alussa valon aaltoteorian luoneet T. Jung ja O. Fresnel pitivät valoaallot pitkittäisinä eli pitkittäisinä eli pitkittäisinä eli pitkittäisinä ts. samanlainen kuin ääniaallot. Tätä varten heidän täytyi ottaa käyttöön jonkinlainen hypoteettinen ympäristö nimeltä eetteri, jossa pitkittäisten valoaaltojen eteneminen tapahtui. Tuolloin tuntui uskomattomalta, että valo on poikittaisia aaltoja, koska analogisesti mekaanisten aaltojen kanssa olisi oletettava, että eetteri on kiinteä kappale (poikittaiset mekaaniset aallot eivät voi levitä kaasumaisessa tai nestemäisessä väliaineessa). Kuitenkin jo tuolloin oli olemassa faktoja, jotka olivat ristiriidassa valoaaltojen pituussuuntaisuuden kanssa.
Keskiajalla merimiehet toivat Islannista epätavallisia läpinäkyviä kiviä, joita myöhemmin kutsuttiin Islannin spar. Heidän epätavallisuutensa oli se, että jos johonkin kirjoitukseen laitetaan pala islantilaista sparpaloa, niin sen läpi kirjoitus näkyy kaksihaaraisena.
Vuonna 1669 tanskalainen tiedemies Bartholin kertoi mielenkiintoisista tuloksista kokeistaan Islannin spar-kiteillä. Kulkiessaan tällaisen kiteen läpi säde halkeaa kahtia (kuva 2.6.1). Nämä säteet on nimetty tavallinen palkki ja poikkeuksellinen säde ja itse ilmiöstä kahtaistaittavuus.
Tavallinen säde noudattaa tavallista taittumislakia, ja poikkeuksellinen säde ei noudata tätä lakia. Säteet jakautuivat kahtia, vaikka ne tavallisesti osuivat islannin kielen pinnalle. Jos kidettä kierretään suhteessa alkuperäisen säteen suuntaan, niin molemmat kiteen läpi kulkeneet säteet pyörivät. Bartholin havaitsi myös, että kiteessä on tietty suunta, jota pitkin tuleva säde ei halkea. Hän ei kuitenkaan osannut selittää näitä ilmiöitä.
Muutamaa vuotta myöhemmin tämä Bartholinin löytö kiinnitti Huygensin huomion, joka esitteli konseptin kiteen optinen akseli(Bartolin itse asiassa löysi sen).
Kiteen optinen akseli kutsutaan valituksi suunnaksi kiteessä, jota pitkin tavalliset ja poikkeukselliset säteet etenevät erottumatta.
Vuonna 1809 ranskalainen insinööri E. Malus suoritti kokeen turmaliinikiteillä (läpinäkyviä vihertäviä kiteitä). Tässä kokeessa valoa johdettiin peräkkäin kahden identtisen turmaliinilevyn läpi. Jos toista levyä kierretään suhteessa ensimmäiseen, niin toisen levyn läpi kulkevan valon intensiteetti muuttuu maksimiarvosta nollaan (kuva 2.6.2). Valon voimakkuuden riippuvuus minä kulmasta j molempien levyjen optisten akselien välillä on muotoa:
(Maluksen laki ), (2.6.1)
missä minä 0 on tulevan valon intensiteetti.
Riisi. 2.6.3 a. Riisi. 2.6.3 b.
Kaksinkertaistaittumista tai Maluksen lakia ei voida selittää pitkittäisten valoaaltojen teorian puitteissa. Pitkittäisillä aalloilla säteen etenemissuunta on symmetria-akseli. Pitkittäisessä aallossa kaikki suunnat sädettä vastaan kohtisuorassa tasossa ovat yhtä suuret.
Ymmärtääksesi, miten poikittaisaalto käyttäytyy, harkitse aaltoa, joka kulkee johtoa pitkin pystytasossa. Jos tämän aallon tielle asetetaan pystysuoralla rakolla varustettu laatikko (kuva 2.6.3 a), aalto kulkee vapaasti raon läpi. Jos laatikon rako on vaakasuorassa, aalto ei enää kulje sen läpi (kuva 2.6.3 b). Tätä aaltoa kutsutaan myös taso polarisoitunut, koska värähtelyt siinä tapahtuvat yhdessä (pystysuorassa) tasossa.
Kokeet Islannin sparpalin ja turmaliinin kiteillä mahdollistivat valoaallon poikittaissuuntaisen toiminnan. T. Jung (1816) ehdotti ensimmäisenä, että valoaallot ovat poikittaisia. Fresnel, Jungista riippumatta, esitti myös poikittaisten valoaaltojen käsitteen, perusti sen lukuisilla kokeilla ja loi teorian valon kahtaistaittamisesta kiteissä.
XIX-luvun 60-luvun puolivälissä Maxwell tuli siihen tulokseen, että valo on sähkömagneettinen aalto. Tämä johtopäätös tehtiin Maxwellin teoriasta saadun sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeuden yhteensopivuuden perusteella tunnetun valonnopeuden arvon kanssa. Kun Maxwell päätteli sähkömagneettisten aaltojen olemassaolosta, valoaaltojen poikittaisluonne oli jo todistettu kokeellisesti. Siksi Maxwell uskoi, että sähkömagneettisten aaltojen poikittaissuuntaisuus on toinen tärkeä todiste valon sähkömagneettisesta luonteesta.
Valon sähkömagneettisessa teoriassa vaikeudet, jotka liittyivät tarpeeseen ottaa käyttöön erityinen väliaine aaltojen leviämiseen - eetteri, jota oli pidettävä kiinteänä kappaleena, katosivat myös.
Sähkömagneettisessa aallossa vektorit ja ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden ja sijaitsevat tasossa, joka on kohtisuorassa aallon etenemissuuntaa vastaan. On hyväksyttyä, että kutsutaan tasoa, jossa vektori värähtelee värähtelytaso, ja taso, jossa vektorin värähtelyt tapahtuvat, polarisaation taso. Koska kaikissa valon ja aineen vuorovaikutusprosesseissa päärooli on sähkökentän voimakkuusvektorilla, sitä kutsutaan valo vektori. Jos valovektori säilyttää suuntautumisensa sähkömagneettisen aallon etenemisen aikana, tällaista aaltoa kutsutaan ns. lineaarisesti polarisoitunut tai taso polarisoitunut.
Laserit lähettävät lineaarisesti polarisoitua valoa. Tavallisista lähteistä (kuten auringonvalosta, hehkulampuista jne.) tuleva valo ei kuitenkaan ole polarisoitunut. Tämä johtuu siitä, että atomit lähettävät valoa erillisissä sarjoissa toisistaan riippumatta. Tämän seurauksena tuloksena olevan valoaallon vektori muuttaa satunnaisesti suuntautumistaan ajassa siten, että keskimäärin kaikki värähtelysuunnat ovat yhtä suuret.
Kutsutaan valoaaltoa, jossa valovektorin värähtelysuunta muuttuu kaoottisesti ajassa luonnollinen tai polarisoimaton valo.
Luonnonvalo, joka kulkee Islannin kielen tai turmaliinin läpi, on polarisoitunut. Valon kaksinkertaisen taittumisen ilmiö selittyy sillä, että monissa kiteisissä aineissa kahden keskenään kohtisuorassa polarisoidun aallon taitekertoimet ovat erilaiset. Siksi kide kaksihaarauttaa sen läpi kulkevat säteet (kuva 2.6.1). Kaksi sädettä kiteen ulostulossa ovat lineaarisesti polarisoituneita keskenään kohtisuorassa suunnassa. Kiteitä, joissa tapahtuu kahtaistaitteisuutta, kutsutaan anisotrooppinen.
Valo voi polarisoitua heijastuessaan tai hajaantuessaan. Erityisesti taivaan sininen valo on osittain tai kokonaan polarisoitunut. Malus havaitsi heijastuneen valon polarisaation ensimmäisen kerran, kun hän katsoi islannin kiilteen läpi laskevan auringon heijastukseen Pariisin Luxemburgin palatsin ikkunoissa. Malus havaitsi, että heijastunut valo on jossain määrin polarisoitunut. Heijastuneen säteen polarisaatioaste riippuu tulokulmasta: normaalissa tulossa heijastuva valo ei ole täysin polarisoitunut, ja kun se osuu kulmaan, jota kutsutaan täyden polarisaatiokulmaksi tai Brewster-kulmaksi, heijastuva säde on 100 %. polarisoitunut. Brewsterin kulmassa heijastuessaan heijastuneet ja taittuneet säteet ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden (kuva 2.5.4). Heijastunut säde on tasopolarisoitu pinnan suuntaisesti.
Koska , ja , sitten Brewsterin kulma löydetään kaavalla .
Polarisoitua valoa käytetään laajasti monilla tekniikan alueilla (esimerkiksi valon tasaiseen hallintaan, elastisten jännitysten tutkimuksessa jne.). Ihmissilmä ei erota valon polarisaatiota, mutta joidenkin hyönteisten, kuten mehiläisten, silmät havaitsevat sen.
| | | | | | 7 |
Tänään oppitunnilla tutustumme valon polarisaatioilmiöön. Tutkitaanpa polarisoidun valon ominaisuuksia. Tutustutaan kokeelliseen todistukseen valoaaltojen poikittaisuudesta.
Interferenssi- ja diffraktioilmiöt eivät jätä epäilystäkään siitä, että etenevällä valolla on aaltojen ominaisuuksia. Mutta millaisia aaltoja - pitkittäisiä vai poikittaisia?
Aaltooptiikan perustajat Jung ja Fresnel pitivät pitkään valoaaltoja pituussuuntaisina eli ääniaaltojen kaltaisina. Tuolloin valoaaltoja pidettiin elastisina aaltoina eetterissä, joka täyttää avaruuden ja tunkeutuu kaikkiin kappaleisiin. Sellaiset aallot eivät näyttäneet voivan olla poikittaisia, koska poikittaisaaltoja voi olla vain kiinteässä kappaleessa. Mutta kuinka kappaleet voivat liikkua kiinteässä eetterissä kohtaamatta vastusta? Loppujen lopuksi eetteri ei saa estää kappaleiden liikkumista. Muuten hitauslaki ei päde.
Kuitenkin vähitellen kertyi yhä enemmän kokeellisia faktoja, joita ei voitu mitenkään tulkita valoaaltojen pitkittäissuuntaisena pitämisen vuoksi.
Kokeilut turmaliinilla
Ja nyt tarkastelemme yksityiskohtaisesti vain yhtä kokeista, erittäin yksinkertaista ja erittäin tehokasta. Tämä on koe turmaliinikiteillä (läpinäkyvät vihreät kiteet).
Jos sähkölampun tai auringon valonsäde suunnataan normaalisti tällaiseen levyyn, niin levyn pyöriminen säteen ympäri ei aiheuta muutosta sen läpi kulkeneen valon intensiteetissä (kuva 1). ). Saatat ajatella, että valo imeytyi vain osittain turmaliiniin ja sai vihertävän värin. Mitään muuta ei tapahtunut. Mutta se ei ole. Valoaalto on saanut uusia ominaisuuksia.
Nämä uudet ominaisuudet paljastuvat, jos säde pakotetaan kulkemaan toisen, täsmälleen saman turmaliinikiteen läpi (kuva 2(a)), yhdensuuntaisesti ensimmäisen kanssa. Kiteiden identtisesti suunnatuilla akseleilla taaskaan ei tapahdu mitään mielenkiintoista: valonsäde yksinkertaisesti heikkenee edelleen toisen kiteen absorption vuoksi. Mutta jos toista kidettä pyöritetään jättäen ensimmäinen liikkumattomaksi, niin hämmästyttävä ilmiö paljastuu - valon sammuminen. Kun akselien välinen kulma kasvaa, valon intensiteetti pienenee. Ja kun akselit ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan, valo ei kulje ollenkaan. Toinen kide imeytyy kokonaan.
Kutsutaan valoaaltoa, joka värähtelee kaikkiin suuntiin kohtisuorassa etenemissuuntaa vastaan luonnollinen.
Valoa, jossa valovektorin värähtelysuunnat ovat jotenkin järjestetyt, kutsutaan polarisoitunut.
Valon polarisaatio- tämä on yksi optisen säteilyn (valon) perusominaisuuksista, joka koostuu eri suuntien epätasa-arvosta valonsäteeseen nähden kohtisuorassa tasossa (valoaallon etenemissuunta).
Polarisaattorit- laitteet, jotka mahdollistavat polarisoidun valon saamisen.
Analysaattorit- laitteet, joilla voit analysoida, onko valo polarisoitu vai ei.
Polarisaattorin ja analysaattorin toimintakaavio
Poikittaiset valoaallot
Yllä kuvatuista kokeista seuraa kaksi tosiasiaa:
Ensinnäkin että valonlähteestä tuleva valoaalto on täysin symmetrinen etenemissuunnan suhteen (ensimmäisessä kokeessa kiteen pyöriessä säteen ympärillä intensiteetti ei muuttunut).
toiseksi että ensimmäisestä kiteestä tulevalla aallolla ei ole aksiaalista symmetriaa (riippuen toisen kiteen pyörimisestä suhteessa säteeseen, saadaan yksi tai toinen läpäisevän valon intensiteetti).
Ensimmäisestä polarisaattorista tulevan valon voimakkuus:
Toisen polarisaattorin läpi kulkevan valon intensiteetti:
Kahden polarisaattorin läpi kulkevan valon intensiteetti:
Tehdään johtopäätös: 1. Valo on poikittaisaalto. Mutta tavanomaisesta lähteestä tulevassa aaltosäteessä on värähtelyjä kaikkiin mahdollisiin suuntiin, kohtisuorassa aallon etenemissuuntaan nähden.
2. Turmaliinikristallilla on kyky välittää valoaaltoja värähtelyillä yhdessä tietyssä tasossa.
Valoaallon lineaarisen polarisaation malli
Polaroidit
Ei vain turmaliinikiteet pysty polarisoimaan valoa. Sama ominaisuus on esimerkiksi ns. polaroidit. Polaroid on ohut (0,1 mm) herapatiittikiteiden kalvo, joka on kerrostettu selluloidi- tai lasilevylle. Polaroidilla voit tehdä samoja kokeita kuin turmaliinikiteellä. Polaroidien etuna on, että voit luoda suuria pintoja, jotka polarisoivat valoa.
Polaroidien haittapuoli on violetti sävy, jonka ne antavat valkoiselle valolle.
Valon diffraktio ja häiriöt vahvistavat valon aaltoluonteen. Mutta aallot voivat olla pitkittäisiä ja poikittaisia. Harkitse seuraavaa kokemusta.
Valon polarisaatio
Ohjataan valonsäde suorakaiteen muotoisen turmaliinilevyn läpi, jonka toinen pinta on yhdensuuntainen kiteen akselin kanssa. Mitään näkyviä muutoksia ei ollut. Valo sammui levyssä vain osittain ja sai vihertävän värin.
kuva
Nyt kun asetamme toisen lautasen ensimmäisen jälkeen. Jos molempien levyjen akselit ovat kohdakkain, mitään ei tapahdu. Mutta jos toinen kide alkaa pyöriä, valo sammuu. Kun akselit ovat kohtisuorassa, valoa ei ole ollenkaan. Toinen levy imeytyy kokonaan.
kuva
Tehdään kaksi johtopäätöstä:
1. Valon aalto on symmetrinen etenemissuunnan suhteen.
2. Kun aalto on kulkenut ensimmäisen kiteen läpi, se lakkaa olemasta aksiaalinen symmetria.
Tätä ei voida selittää pitkittäisaaltojen näkökulmasta. Siksi valo on poikittaista aaltoa. Turmaliinikide on polaroidi. Se välittää valoaaltoja, joiden värähtelyt tapahtuvat yhdessä tasossa. Tämä ominaisuus on hyvin havainnollistettu seuraavassa kuvassa.
kuva
Poikittaisvalon aallot ja valon sähkömagneettinen teoria
Valoa, joka syntyy polaroidin läpi kulkemisen jälkeen, kutsutaan tasopolarisoiduksi valoksi. Polarisoidussa valossa värähtelyjä esiintyy vain yhdessä suunnassa - poikittaissuunnassa.
Valon sähkömagneettinen teoria on saanut alkunsa Maxwellin teoksista. 1800-luvun jälkipuoliskolla Maxwell osoitti teoreettisesti sähkömagneettisten aaltojen olemassaolon, jotka voivat levitä jopa tyhjiössä.
Ja hän ehdotti, että valo on myös sähkömagneettinen aalto. Valon sähkömagneettinen teoria perustuu siihen, että valon nopeus ja sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeus ovat samat.
1800-luvun loppuun mennessä todettiin lopulta, että valoaallot syntyvät varautuneiden hiukkasten liikkeestä atomeissa. Tämän teorian tunnustamisen myötä valoa sisältävän eetterin tarve, jossa valoaallot etenevät, on kadonnut. kevyet aallot Nämä eivät ole mekaanisia, vaan sähkömagneettisia aaltoja.
Valoaallon värähtelyt koostuvat kahden vektorin värähtelystä: intensiteettivektorin ja magneettisen induktiovektorin. Sähkökentän voimakkuusvektorin värähtelyjen suunnaksi katsotaan valoaaltojen värähtelyjen suunta.
poikittaisaalto- aalto, joka etenee kohtisuorassa sitä tasoa vastaan, jossa väliaineen hiukkaset värähtelevät (elastisen aallon tapauksessa) tai jossa sähkö- ja magneettikenttien vektorit sijaitsevat (sähkömagneettisen aallon tapauksessa).
Poikittaisaaltoja ovat esimerkiksi aallot merkkijonoissa tai elastisissa kalvoissa, kun niissä olevien hiukkasten siirtyminen tapahtuu tiukasti kohtisuorassa aallon etenemissuuntaan nähden, sekä tasaiset homogeeniset sähkömagneettiset aallot isotrooppisessa dielektrisessä tai magneetissa; tässä tapauksessa sähkö- ja magneettikenttien vektorit suorittavat poikittaiset värähtelyt.
Poikittaisella aallolla on polarisaatio, ts. sen amplitudivektori on suunnattu tietyllä tavalla poikittaistasossa. Erityisesti erotetaan lineaariset, ympyrä- ja elliptiset polarisaatiot riippuen käyrän muodosta, jota amplitudivektorin pää kuvaa. Poikittaisaallon, samoin kuin pitkittäisaallon, käsite on jossain määrin ehdollinen ja liittyy tapaan, jolla se kuvataan. Aallon "transversiteetti" ja "pituussuuntaisuus" määräytyvät sen mukaan, mitkä suuret todella havaitaan. Siten tasomainen sähkömagneettinen aalto voidaan kuvata pitkittäisellä Hertzi-vektorilla. Useissa tapauksissa aaltojen jakaminen pitkittäis- ja poikittaisiin menettää yleensä merkityksensä. Joten syvän veden pinnalla olevassa harmonisessa aallossa väliaineen hiukkaset tekevät ympyräliikkeitä aaltovektorin läpi kulkevassa pystytasossa, ts. hiukkasvärähtelyillä on sekä pitkittäis- että poikittaiskomponentit.
Vuonna 1809 ranskalainen insinööri E. Malus löysi hänen mukaansa nimetyn lain. Maluksen kokeissa valoa johdettiin peräkkäin kahden identtisen turmaliinilevyn läpi (läpinäkyvä, vihertävän värinen kiteinen aine). Levyt voisivat pyöriä suhteessa toisiinsa kulman φ kautta
Läpäisevän valon intensiteetti osoittautui suoraan verrannolliseksi cos2 φ:hen:
Brewster-ilmiötä käytetään valopolarisaattoreiden luomiseen ja sisäisen kokonaisheijastuksen ilmiötä valoaallon paikantamiseen optisen kuidun sisällä. Optisen kuitumateriaalin taitekerroin ylittää ympäristön (ilman) taitekertoimen, joten kuidun sisällä oleva valonsäde kokee täydellisen sisäisen heijastuksen kuidun ja väliaineen rajapinnalla, eikä se voi mennä kuidun ulkopuolelle. Optisen kuidun avulla valonsäde voidaan lähettää avaruuden pisteestä toiseen mielivaltaista kaarevaa reittiä pitkin.
Tällä hetkellä on luotu tekniikoita halkaisijaltaan olevien kvartsikuitujen valmistukseen, joissa ei käytännössä ole sisäisiä ja ulkoisia vikoja, ja niiden lujuus ei ole pienempi kuin teräksen. Samalla pystyttiin pienentämään kuidun sähkömagneettisen säteilyn häviöt arvoon, joka on pienempi kuin , ja myös merkittävästi vähentää dispersiota. Tämä mahdollisti vuonna 1988. otti käyttöön kuituoptisen tietoliikennelinjan, joka yhdisti Amerikan Eurooppaan Atlantin valtameren pohjaa pitkin. Nykyaikaiset FOCL:t pystyvät tarjoamaan edellä mainitut tiedonsiirtonopeudet.
Sähkömagneettisen aallon suurella intensiteetillä väliaineen optiset ominaisuudet, mukaan lukien taitekerroin, lakkaavat olemasta vakioita ja niistä tulee sähkömagneettisen säteilyn toimintoja. Sähkömagneettisten kenttien superpositioperiaate lakkaa, ja väliainetta kutsutaan epälineaarinen. Klassisessa fysiikassa mallia käytetään kuvaamaan epälineaarisia optisia efektejä anharmoninen oskillaattori. Tässä mallissa atomielektronin potentiaalienergia kirjoitetaan sarjana elektronin siirtymätehoina x suhteessa sen tasapainoasemaan.
